摘要青藏高原是亚洲主要河流的发源地也是对气候敏感的脆弱生态系统其间分布的病毒群落对生态系统功能至关重要但长期未获充分研究。作者整合了长江、黄河、澜沧江和雅鲁藏布江的 597 个宏基因组以及 85 个公开的西藏冰川基因组与基因目录TG2G宏基因组构建了包含36,358 个 vOTUs和897,250 个病毒蛋白簇的冰川—河流病毒组目录Glacier-to-River Virome Catalogue, GtRVC用以解码病毒沿海拔梯度的适应策略与生态影响。研究结果显示高海拔条件有利于拥有更高鸟嘌呤-胞嘧啶GC含量、更大基因组以及更多冷适应基因的病毒。一个核心发现是病毒生活方式沿冰川—河流梯度发生了系统性转变从冰川区域的**温和噬菌体temperate主导转变为下游的裂解性病毒lytic viruses主导同时携带抗生素抗性基因ARGs的病原体丰度沿梯度下降。进一步分析表明病毒辅代谢基因Auxiliary Metabolic Genes, AMGs**的功能从冰川区域的营养 scavenging如氮、硫转运蛋白向下游平原区域的矿化过程如反硝化过渡凸显了病毒在生物地球化学循环中的作用。这些发现确立了病毒作为微生物群落结构与功能动态、以及青藏高原生物地球化学过程的关键调节者地位为脆弱的亚洲水塔对气候变化的响应提供了重要见解。Keywords: Glacier-to-river gradient冰川—河流梯度; Virome catalogue病毒组目录; Auxiliary metabolic genes辅代谢基因; Temperate/lytic lifestyle温和/裂解生活方式; Biogeochemical cycling生物地球化学循环; Qinghai-Tibet Plateau青藏高原文献信息Li, Y., Chen, T., Li, P., Zhang, G., Tian, Y., Wang, J., Ni, J. (2026). Elevation-structured viral ecological strategies along glacier-fed rivers on the Qinghai-Tibet Plateau.Nature Communications. Published online: 8 August 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-76431-5期刊Nature CommunicationsIF 18.1发表时间2026 年 8 月 8 日Article in Press 提前访问版本研究总结青藏高原冰川-河流病毒生态策略研究背景青藏高原作为亚洲水塔病毒群落适应机制未知气候驱动冰川退缩数据与方法597个河流宏基因组85个冰川宏基因组构建GtRVC目录多方法病毒识别与宿主预测核心发现病毒生活方式沿梯度转变高海拔病毒基因组特征独特AMGs功能空间分异潜在病原体丰度下游衰减生态意义病毒调节微生物群落结构病毒驱动生物地球化学循环气候变化下水源地功能重塑背景介绍青藏高原QTP是地球上海拔最高、最脆弱的生态系统之一被称为亚洲水塔通过冰川、积雪、冻土和湖泊蓄水并调节释放维系着长江、黄河、澜沧江、雅鲁藏布江等大型河流系统。该区域具有高海拔、低温、强紫外辐射、缺氧和低营养oligotrophic等极端环境特征并对气候变化表现出强烈的时空异质性。以往研究已初步勾勒出高原微生物在碳循环、能量代谢和抗逆等方面的功能适应宿主相关微生物组亦被证明对动物和植物适应高原环境贡献显著。然而作为地球上最丰富的生物实体病毒群落如何沿冰川—河流梯度适应并反作用于生态系统仍属空白。病毒通过感染、裂解和水平基因转移HGT调控微生物进化、营养循环和致病性同时细菌和古菌也演化出 CRISPR-Cas 等免疫系统与之对抗。在全球气候变暖导致冰川加速退缩的背景下冰封的古代或新兴病毒释放可能带来潜在的生态与健康风险。本研究正是为填补这一关键知识缺口而开展。重要结果结果1冰川—河流系统的病毒群落组成与分布格局作者将样本划分为冰川、高原河流和平原河流三个区段以考察沿海拔梯度的病毒群落。高原河流站点平均海拔 3341.18 m水温显著低于平原河流7.73°C vs 14.60°C而地表太阳辐射、潜热通量和感热通量均显著高于平原河流。从 59,997 条病毒 contig 中作者获得了 36,358 个非冗余 vOTUs基于 95% 平均核苷酸一致性 ANI 聚类其中 17,848 个为中质量≥10 kb9,351 个为高质量9,159 个为完整基因组。与 IMG/VR v4 数据库相比99.9% 的 vOTUs 和 78.4% 的病毒蛋白簇vPCs为全新发现。病毒 α-多样性随海拔降低而显著升高冰川和高原河流中 85% 以上的 vOTUs 在平原河流中亦被检测到且 63.5%–90.9% 的 vOTUs 在下游的相对丰度显著升高表明青藏高原不仅是微生物塔也是名副其实的病毒塔。图 1 图注青藏高原及下游河流病毒群落概览。(a) 采样点地图样本采集自冰川和四条高原起源河流(b) 青藏高原与平原间环境和地表能量通量参数的箱线图包括海拔、温度、铵态氮、地表太阳辐射、溶解氧、总磷、地表潜热通量和感热通量© 三个区域病毒群落的非度量多维尺度NMDS分析(d) 香农多样性指数与海拔的线性回归(e) 注释病毒在科水平上的分类学归属。结果2病毒—宿主互作沿梯度的动态变化利用三种预测方法作者鉴定出 18,422 对病毒—宿主关系涉及 3,960 个 vOTUs占 10.8%和 3,342 个原核 MAGs预测宿主涵盖 30 个细菌门和 3 个古菌门其中假单胞菌门Pseudomonadota, 46.1%、拟杆菌门Bacteroidota, 20.6%和放线菌门Actinomycetota, 15.3%最为频繁。基于 BACPHLIP 分类5,044 个 vOTUs 为温和噬菌体31,314 个为烈性噬菌体。在冰川的优势 vOTUs按平均相对丰度排名前 200中温和噬菌体占 63.5%到高原河流降至 45%到平原河流仅剩 16%——揭示了沿梯度从温和到裂解的系统转变。病毒—宿主相对丰度比VHR沿梯度显著下降冰川中宿主平均被 1.81 个烈性病毒和 3.33 个温和病毒感染而平原河流中宿主感染的烈性病毒数上升至 2.31 个温和病毒下降至 2.35 个。冰川病毒更频繁地携带抗防御系统如 anti-RM、anti-Thoeris其感染的宿主也更频繁地具备防御机制反映出剧烈的协同进化军备竞赛。图 2 图注本研究中原核生物的系统发育树。(a) 所有 MAGs 构建的系统发育树在门水平折叠圆圈表示病毒—宿主对信息(b) 病毒与其预测宿主的网络附带条形图显示各地区预测的病毒感染宿主的平均数量© 三个区域的病毒—宿主相对丰度比(d) 各区域温和病毒的相对丰度和比例(e) 携带不同抗防御系统并预测感染具有防御系统宿主的病毒频率。结果3病毒基因组特征与辅代谢基因的空间分异冰川样本组装出的 vOTUs 表现出更高的 GC 含量、更大的基因组尺寸和更低的平均分子量。在功能层面作者从病毒 ORFs 的 eggNOG 注释中识别出与能量生产和转换7117 个基因以及碳水化合物运输和代谢13872 个基因相关的辅助病毒基因AVGs。辅代谢基因AMGs沿梯度呈现显著的功能更替在氮循环中编码硝酸盐/亚硝酸盐转运蛋白nrtB/C/D的病毒在冰川中相对丰度最高是高原河流的 3.1 倍、平原河流的 17.3 倍而编码反硝化nirS, nirK和厌氧氨氧化HZS 亚基的病毒则在平原河流中更为丰富2.63远高于高原河流0.115和冰川0.0025。在硫循环中冰川病毒中硫酸盐转运基因 cysA 的相对丰度是高原河流的 3.7 倍而硫氧化基因 soxX 和 soxD 在高原河流中达到峰值分别为冰川的 126.9 倍和 13.2 倍。磷循环相关基因phoH、pppX、pstS 等在各区域广泛存在指示普遍的磷限制甲烷代谢相关 AMGspmoC、mmoC、mtaC 等亦被鉴定其中冰川中甲基辅酶 M 还原酶mcr亚基编码基因的丰度更高且意外地预测感染细菌宿主。图 3 图注参与甲烷、氮、硫和磷代谢的病毒辅代谢基因。(a) 病毒 ORFs 的 COG 注释(b) 与甲烷、氮、硫和磷代谢途径相关的病毒 AMGs 数量© 编码甲烷、氮、硫和磷代谢相关基因的病毒平均相对丰度(d) 病毒 AMGs 整合入原核代谢途径的概念图。结果4潜在病原体沿冰川—河流梯度的动态衰减鉴于冰圈封存的病原微生物在气候变化下释放的关注度日益提升作者探究了携带毒力因子基因VFGs和/或抗生素抗性基因ARGs的细菌与病毒之间的互作。结果显示冰川、高原河流和平原河流 MAGs 中潜在病原体携带 VFGs的比例分别为 44.4%、34.1% 和 29.5%其中冰川中携带 ARGs 的潜在病原体比例达 9.5%。VHR 分析表明携带 ARGs 的病原体在冰川—河流梯度上呈现出最高的病毒—宿主相对丰度比在冰川中超过 100且始终高于其他病原体和非病原体。携带抗防御系统的病毒强烈感染潜在病原体在冰川中达到峰值其中携带抗限制性修饰系统anti-RM的病毒尤为突出。此外冰川中携带 VFGs 和 ARGs 的病毒相对丰度更高且以溶原性为主作者还在冰川的溶原性噬菌体中检测到更多的 VFGs 潜在水平基因转移事件。随着海拔降低细菌和携带 ARGs/VFGs 的病毒的相对丰度均下降温和噬菌体在平原河流中因维持前噬菌体的代谢与调控成本而在竞争中处于劣势这可能是下游潜在病原体丰度降低的重要原因。图 4 图注沿冰川—河流梯度携带 VFGs 和/或 ARGs 的细菌及其相关病毒的动态。(a) 不同宿主的潜在病原体比例和病毒—宿主比VHR(b) 携带 VFGs 的 MAGs 相对丰度与海拔的线性回归© 三个区域中携带抗防御系统的病毒与携带 VFGs 的 MAGs 之间的连接网络(d) 编码 VFGs 和 ARGs 的病毒相对丰度以及病毒与其宿主之间潜在的基因转移事件。结果5广适性与专适性病毒的微多样性及宿主进化动态作者基于生态位宽度划分了广适性generalist与专适性specialist病毒并评估了其微多样性。在水样中BiSSE 模型显示感染广适性病毒的宿主物种形成率远低于感染专适性病毒的宿主沉积物中则呈现相反趋势。冰川在所有病毒中均表现出最低的核苷酸多样性无论广适性或专适性。专适性病毒的 SNP 频率沿冰川—河流梯度下降同义突变比例沿梯度逐步升高且广适性病毒高于专适性病毒。基因 pN/pS 比值沿梯度逐渐降低专适性病毒高于广适性病毒。功能多样性分析显示受到正选择pN/pS 1的基因主要归属于遗传信息处理、代谢、信号传导和细胞过程等类别。这表明在青藏高原极端环境下专适性病毒通过强烈的正选择驱动对狭窄生态位的快速适应而平原河流中的广适性病毒则处于纯化选择之下维持跨多样宿主的稳定性——二者共同影响了沿梯度的微生物适应与生态系统过程。图 5 图注沿青藏高原冰川—河流梯度病毒的微多样性、病毒宿主的进化特征及病毒群落生态转变。(a) 冰川、高原和水样中感染广适性和专适性病毒的宿主的物种形成率、灭绝率和转换率(b) 水样中不同区域专适性和广适性病毒的核苷酸多样性、pN/pS 比值和每千碱基 SNP 数© 病毒群落组成、生活方式、功能特征和生态影响沿冰川—河流梯度转变的概念图。方法学参考可供参考的关键方法病毒识别集成策略同时使用 6 种原理互补的工具蛋白注释、机器学习、无参考深度学习再用 CheckV 严格质控最大限度降低单一方法偏差vOTU 界定CD-HIT 以 95% ANI 和 85% 覆盖度聚类代表病毒生态学物种水平划分的国际通用标准宿主预测三重验证CRISPR spacer 匹配≤1 错配、100% 覆盖、tRNA 匹配100% 一致性与覆盖、病毒—MAG 间 BLASTn≥90% 一致性、≥2 kb 覆盖AMG 可靠性控制仅保留位于两个病毒相关基因之间、或与病毒标志基因相邻的 AMG避免假阳性生活方式预测BACPHLIP 工具仅基于高质量和完整基因组进行分析微多样性评估inStrain-l 0.95 -f 0.05 -fdr 1e-06计算核苷酸多样性、SNP 和 pN/pS 比值宿主进化建模BiSSE 模型估计广适性/专适性病毒感染宿主的物种形成、灭绝和状态转换率总结本研究构建了迄今为止最全面的青藏高原冰川—河流病毒组目录GtRVC涵盖 36,358 个 vOTUs 和 897,250 个病毒蛋白簇其中 99.9% 的 vOTUs 为全新发现。研究揭示了沿海拔梯度病毒生态策略的三个核心转变其一基因组与适应特征的梯度分异。高海拔病毒具有更高的 GC 含量、更大的基因组和更强的冷适应基因密度反映了低温、寡营养和高辐射环境下的选择压力。其二生活方式的系统转变。从冰川区域温和噬菌体主导优势 vOTUs 中占 63.5%向下游平原河流裂解性病毒主导优势 vOTUs 中仅占 16%过渡。这一转变与宿主密度、病毒—宿主比VHR的动态变化相吻合体现了从搭便车输家PtL到杀死赢家KtW再到搭便车赢家PtW的生态策略连续体。其三辅代谢基因功能的空间更替。病毒 AMGs 从冰川区域的营养 scavenging氮、硫转运和高能代谢甲烷代谢、糖酵解转变为下游平原河流的矿化过程反硝化、厌氧氨氧化、同化硫酸盐还原。这一格局暗示病毒在不同海拔段对生物地球化学循环的贡献存在质的差异。值得关注的是携带毒力因子和抗生素抗性基因的潜在病原体丰度沿梯度显著衰减而冰川中这类病原体受到携带抗防御系统的病毒更强烈的感染——提示病毒可能作为天然的生物控制机制在水源地生态系统中调控病原动态。⚠️研究局限性1水样分析主要反映与微生物宿主关联的病毒0.22 μm 细胞组分游离病毒颗粒未被全面捕获2生活方式推断受基因组质量和工具假设影响仅纳入高质量和完整序列可能引入偏差3宿主预测仅覆盖部分病毒种群VHR 相关结论未必反映整个病毒群落的真实情况4宏基因组学方法无法区分生产性感染与不成功感染VHR 可能被高估需结合流式细胞术、病毒样颗粒绝对定量和代谢转录组学进行实验验证。在气候变暖加速冰川退缩的时代背景下该研究确立病毒为青藏高原敏感生态系统过程的核心调节者为理解亚洲水塔对全球变化的响应提供了全新的病毒视角也为下一代地球系统模型纳入病毒功能组分奠定了理论基础。参考文献Li, Y., Chen, T., Li, P., Zhang, G., Tian, Y., Wang, J., Ni, J. (2026). Elevation-structured viral ecological strategies along glacier-fed rivers on the Qinghai-Tibet Plateau.Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-026-76431-5相关数据库与资源GtRVC 病毒基因组、蛋白簇与宿主预测结果Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.17066357)四条河流原始序列NCBI SRABioProject ID PRJNA1264540西藏冰川基因组与基因目录TG2GNCBI BioProject ID PRJNA813429自定义分析脚本Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.17066837)R 分析代码Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.18919645)病毒比对参考数据库IMG/VR v4 (https://img.jgi.doe.gov/)