珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)病毒研究進展

陳 飚,余克服,*

1 廣西大學廣西南海珊瑚礁研究重點實驗室,南寧 530004

2 廣西大學珊瑚礁研究中心,南寧 530004

3 廣西大學海洋學院, 南寧 530004

珊瑚礁是地球上最具生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng),其僅占據(jù)約0.5%的海洋面積,卻為近30%的海洋生物提供了棲息地,故被譽為海洋中的“熱帶雨林”[1—2]。病毒是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)量最多的生物學實體,其數(shù)量約是珊瑚礁中其它微生物的10倍[3—4]。作為珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中的一種特殊生命形式,病毒可以通過快速的水平基因遷移與編碼輔助代謝基因的方式促進珊瑚礁生物進化[5—6]。此外,病毒也是珊瑚礁中生物地球化學循環(huán)的重要組成部分,其可通過感染裂解微生物的方式向珊瑚礁碳庫貢獻大量的溶解無機碳[4,7—8],并塑造微生物群落結(jié)構(gòu)與整個生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)循環(huán)過程[7,9—11]。但是,與在人類社會中快速傳播并危害公共衛(wèi)生安全的病毒(例如當下全球蔓延的新型冠狀病毒[12—13])相似,珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中的病毒也會導致珊瑚產(chǎn)生嚴重的傳染性疾病,例如“白色瘟疫”[14—16]、白帶病[17]以及黃斑病(yellow blotch)[18]等,并導致活珊瑚覆蓋度下降、生態(tài)系統(tǒng)快速退化等后果[19]。因此,病毒是影響珊瑚礁生態(tài)功能與健康狀況的“雙刃劍”。

南海珊瑚礁位于世界珊瑚多樣性中心“珊瑚三角區(qū)”的北緣[20],從近赤道的曾母暗沙(4°N)至雷州半島與潿洲島(20—21°N)均有分布[21]。南海北部的大亞灣、防城港以及東山島等亞熱帶氣候控制區(qū)亦發(fā)育有未成礁的珊瑚群落(21—23°N)[22—24]。但是,受氣候變化的影響,南海珊瑚礁發(fā)生快速衰退,整體退化速率甚至超過全球平均值[25]。但迄今為止,我國還未開展過關(guān)于珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)病毒學的相關(guān)研究,對南海珊瑚礁病毒的分布特征、生態(tài)功能以及環(huán)境響應知之甚少。因此,本文通過綜述國際上珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中病毒的相關(guān)進展,以促進我國珊瑚礁病毒學研究,為我國珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的保護、珊瑚疾病的防治以及生物多樣性維持等提供新的思路。

1 珊瑚礁病毒多樣性與分布特征

國際病毒分類學協(xié)會(International Committee on the Taxonomy of Viruses,ICTV)現(xiàn)公認發(fā)現(xiàn)的病毒超過7個門,104個科,410屬[4]。截止目前,科學家在全世界珊瑚礁中共發(fā)現(xiàn)超過60個病毒科,數(shù)量占已發(fā)現(xiàn)的所有病毒科數(shù)量的58%[4]。因此,珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)極具的病毒豐富度與多樣性,是海洋中重要的病毒資源庫。

1.1 珊瑚礁水體中的病毒多樣性

珊瑚礁水體中的病毒數(shù)量約為106—108個/mL,其數(shù)量要高于珊瑚礁水體中的其它微生物一個數(shù)量級以上[3—4]。珊瑚礁水體中病毒的早期研究多基于透射電子顯微鏡技術(shù)(transmission electron microscopy,TEM)[26],其從病毒的形態(tài)與感染宿主類型的角度,將珊瑚礁水體中發(fā)現(xiàn)的大量類病毒顆粒(virus-like particles,VLPs)進行歸類：

(1)噬菌體(Phage)。以細菌為宿主的類病毒顆粒被稱為噬菌體,其在珊瑚礁水體的病毒群落中占據(jù)主導,主要類型包括：長尾噬菌體科(Siphoviridae)、短尾噬菌體科(Podoviridae)以及肌尾噬菌體科(Myoviridae)[27]。這些噬菌體類型也同樣存在于珊瑚體內(nèi)[28]。

(2)真核生物病毒(Eukaryotic viruse)。珊瑚礁水體中的真核生物病毒主要由藻類脫氧核糖核酸病毒科(Phycodnaviridae)、皰疹病毒科(Herpesviridae)以及雙生病毒科(Geminiviridae)組成[4]。其中,藻類脫氧核糖核酸病毒科和皰疹病毒科能夠存在于珊瑚及其它刺胞動物體內(nèi),而雙生病毒科則在珊瑚體內(nèi)十分罕見。

(3)古菌噬菌體 (Archaea phage)。小紡錘形噬菌體科(Fuselloviridae)和Salterproviridae以古菌為感染對象,其廣泛分布于珊瑚礁的水體之中,但卻未存在于珊瑚組織內(nèi)[4]。這可能與珊瑚體內(nèi)的古菌豐度較低有關(guān)。

但是,上述體系是基于透射電鏡觀測下類病毒顆粒的衣殼形態(tài)所進行的分類,并未從分子分類與系統(tǒng)進化分析的角度準確識別珊瑚礁水體中病毒。隨著測序技術(shù)的發(fā)展,擴增子測序與宏基因組學被廣泛運用到海洋病毒的檢測中,相應地識別了珊瑚礁水體中的雙鏈DNA病毒(dsDNA virus)、單鏈DNA病毒(ssDNA virus)以及單鏈RNA病毒(ssRNA virus)：

(1)雙鏈DNA病毒。該病毒包括以細菌為宿主和以真核生物為宿主2類。前者,即珊瑚礁水體中的噬菌體,主要由微小噬菌體科(Microviridae)、肌尾噬菌體科、短尾噬菌體科以及長尾噬菌體科組成[29—30]。后者,即珊瑚礁水體中的真核生物病毒,主要以浮游藻類為宿主。多樣化的核質(zhì)巨D(zhuǎn)NA病毒家族(nuclecytoplasmic large DNA viruses,NCLDVs)在此真核生物病毒群落中占據(jù)主導,包括巨型病毒科(Megaviruses)、藻類脫氧核糖核酸病毒科、虹彩病毒科(Iridoviridae)、擬菌病毒科(Mimiviridae)等[14,28—29,31—32]。

(2)單鏈DNA病毒。關(guān)于珊瑚礁水體中的單鏈DNA病毒的研究與數(shù)據(jù)解析相對匱乏,目前較為明確的僅有圓環(huán)病毒科(Circoviridae)[14]。圓環(huán)病毒科在珊瑚礁水體中的具有多樣化的類型,并且能夠感染礁區(qū)的真核生物。據(jù)報道,美屬維爾京群島(The United States Virgin Islands)珊瑚礁暴發(fā)的珊瑚疾病(白色瘟疫)與此病毒存在緊密的關(guān)聯(lián)。

(3)單鏈RNA病毒。Culley等[33]基于病毒RNA聚合酶基因(Viral RNA polymerase gene)擴增與“鳥槍法”測序(Shotgun sequencing)等手段,發(fā)現(xiàn)了單鏈RNA病毒存在于熱帶珊瑚礁水體中,其主要由小核糖核酸病毒科(Picornaviridae)所組成。該科中許多病毒成員具備感染真核生物的能力[33—34]。

1.2 珊瑚共生功能體的病毒多樣性與分布特征

珊瑚共生功能體中也含有大量的病毒,但其以類病毒顆粒的形式首次在刺胞動物(Cnidaria)體內(nèi)被發(fā)現(xiàn)則是在珊瑚的近親物種海葵(Actiniaria)體內(nèi)。Wilson等[35]通過透射電鏡技術(shù),觀察到海葵組織中存在大量直徑約為60 nm的類病毒顆粒,形狀多為二十面體,并且能夠感染?？南嚓P(guān)組織細胞(圖1)。

(1)珊瑚組織。與珊瑚礁水體相似,早期關(guān)于珊瑚體內(nèi)病毒的研究也是基于透射電鏡觀察的方法,其檢測到豐富的類病毒顆粒的存在于珊瑚組織之中(圖1)[36,38]。高溫脅迫實驗的結(jié)果表明：在25℃的條件下,珊瑚組織內(nèi)的類病毒顆粒直徑大多為30—40 nm與50—60 nm；但在32℃高溫條件下,珊瑚組織內(nèi)的類病毒顆粒直徑整體增大,直徑介于40—50 nm與60—80 nm之間,且病毒形態(tài)相比于正常條件下更為豐富多樣[38]。因此,熱壓力與病毒感染、珊瑚白化之間存在著直接的聯(lián)系。高溫條件下,珊瑚組織體內(nèi)的大直徑病毒具備感染珊瑚共生蟲黃藻(Symbiodiniaceae)的能力[38]。

(2)珊瑚黏液層(Surface mucus layer,SML)。珊瑚黏液層或珊瑚表面微層(Coral surface microlayer,CSM)是一個分割珊瑚與外環(huán)境的薄層,通常為5—170 μm[39]。珊瑚黏液層主要由珊瑚所分泌的黏液所構(gòu)成,其中存在高比例富含碳氮的有機質(zhì),這為微生物的生長與繁殖提供了溫床。據(jù)統(tǒng)計,珊瑚黏液層中的微生物極為豐富,其數(shù)量大約是海水的100倍[40]。許多研究發(fā)現(xiàn),珊瑚黏液層中的類病毒顆粒的多樣性顯著高于珊瑚組織(圖1)[37,41],這表明珊瑚黏液層對周圍環(huán)境中的病毒具有顯著的富集作用[36]。澳大利亞大堡礁的相關(guān)研究顯示,2屬17個亞類群的類病毒顆粒與珊瑚黏液層存在密切的關(guān)聯(lián),直徑介于30—60 nm之間的多面體形態(tài)的類病毒顆粒在珊瑚黏液層中占據(jù)主導[4]。珊瑚黏液層中的許多類病毒顆粒與噬菌體、古菌病毒具有緊密的親緣關(guān)系[42]。因此,存在于珊瑚黏液層中的病毒可能具有保護宿主免受病原菌感染、入侵的作用。

圖1 海葵組織、珊瑚組織以及珊瑚黏液層的類病毒顆粒(VLPs)

與珊瑚礁水體的研究類似,早期關(guān)于珊瑚共生功能體中病毒研究也多是基于透射電鏡觀測與流式細胞術(shù)所開展的,而這些方法僅能為病毒的形態(tài)學分類提供證據(jù)。但由于病毒衣殼的大小與形態(tài)極具的變異性,因而上述方法可能會錯誤的將具有保守表型、但遺傳物質(zhì)差異很大的病毒歸為一類[4]。因此,僅基于形態(tài)學觀測的研究方法并不能完全解析珊瑚共生功能體內(nèi)病毒的分類學特征(例如科或?qū)偎?[28]。但隨著基因組學、宏轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學以及擴增子測序的發(fā)展與應用,珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中病毒的分類特征已逐步明朗,珊瑚共生功能體的病毒多樣性與群落結(jié)構(gòu)得以被認識[30,43—46]。

1.3 珊瑚核心病毒組

最新的研究顯示,珊瑚擁有一個核心病毒組,包含9—12個科并分屬3個主要的病毒家系,分別為雙鏈DNA病毒、單鏈DNA病毒,以及單鏈逆轉(zhuǎn)錄病毒[28]。

(1)雙鏈DNA病毒。有尾噬菌體目(Caudovirales)在珊瑚共生功能體的核心病毒組中占據(jù)主導,并以長尾噬菌體科、短尾噬菌體科以及肌尾噬菌體科最為常見[4,28]。除噬菌體外,藻類脫氧核糖核酸病毒科、擬菌病毒科、痘病毒科(Poxivrirdae)、虹彩病毒科、皰疹病毒科以及囊泡病毒科(Ascoviridae)也是核心病毒組重要成員[28,47]。值得注意的是,屬于核質(zhì)巨D(zhuǎn)NA病毒家族的藻類脫氧核糖核酸病毒科與擬菌病毒科幾乎存在于所有珊瑚體內(nèi),且痘病毒科、虹彩病毒科、皰疹病毒科也在90%以上的珊瑚樣本中被發(fā)現(xiàn)[4]。另外,異皰疹病毒科(Alloherpesviridae)、皰疹病毒科、軟體動物皰疹病毒科(Malacoherpesviridae)中的許多非典型病毒類型(atypical viruses)也在核心病毒組中具有較高的豐度[28]。這些特殊的皰疹病毒類型在珊瑚組織細胞的細胞核中不顯示出病毒的典型復制過程,且形態(tài)與傳統(tǒng)皰疹病毒存在明顯的差異[28]。

(2)單鏈DNA病毒。單鏈DNA病毒是珊瑚核心病毒組的重要成員[4]。但是,在早期涉及組學的研究中,珊瑚病毒分離技術(shù)與組學數(shù)據(jù)解析等方法尚不完善,這導致了至少在90%的樣本中的單鏈DNA病毒是被研究者所忽略[28—29,43]。例如：由于受宏轉(zhuǎn)錄組測序深度不足與mRNA聚腺苷酸化的影響,以往的珊瑚宏轉(zhuǎn)錄組研究未檢測到小型圓環(huán)單鏈DNA病毒(Small circular ssDNA viruses,SCSDVSs),而此病毒卻在經(jīng)純化的珊瑚宏基因組文庫中被發(fā)現(xiàn)[4,14]。

(3)單鏈逆轉(zhuǎn)錄病毒(Retrovirus)。除雙鏈DNA病毒與單鏈DNA病毒外,珊瑚核心病毒組中還存在單鏈逆轉(zhuǎn)錄病毒。但早期的宏轉(zhuǎn)錄組研究無法通過成熟的生物信息學分析手段識別所獲得的序列是否屬于正確的病毒序列或逆轉(zhuǎn)錄因子,這造成研究者難以準確注釋珊瑚共生功能體內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄病毒[4,29]。而最新的研究發(fā)現(xiàn),在珊瑚共生功能體的宏轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)中,有一部分的逆轉(zhuǎn)錄序列屬于逆轉(zhuǎn)錄病毒[28,31,48]。因此,需要對珊瑚已有的病毒組學數(shù)據(jù)進行重新解析或采用多組學連用的技術(shù)手段,才能有效判斷此類病毒是否確實屬于珊瑚核心病毒組中重要成員。

2 珊瑚礁病毒的生態(tài)功能

感染宿主是病毒體現(xiàn)其生物學特征與生態(tài)功能的主要形式。病毒能夠通過感染活動直接或間接地影響珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中的生物進化與生物地球化學循環(huán)。

2.1 珊瑚礁病毒感染宿主方式

珊瑚礁病毒感染宿主的方式一般分為感染裂解與溶原作用[4,9]。以噬菌體為例,烈性噬菌體的感染裂解細菌通常分為5個階段,即吸附、侵入、復制與生物合成、裝配以及裂解,該過程可在短時間內(nèi)連續(xù)完成[49]。而溫和噬菌體則可通過將自身基因組整合至宿主基因組上的方式,隨宿主基因組的復制而產(chǎn)生同步復制,且不造成宿主細胞裂解[49—50]。

珊瑚礁水體中含有豐富的烈性噬菌體,其可通過感染裂解細菌宿主的方式,向水體中釋放大量的有機和無機營養(yǎng)物質(zhì),供未被感染或無法被感染的其它礁區(qū)生物使用[4]。Knowles等[9]對全球223個珊瑚礁水體樣本的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn),珊瑚礁水體中含有豐富的病毒(9.03×105—3.86×107類病毒顆粒/mL)與細菌(8.08×104—6.75×106細菌/mL),且病毒的數(shù)量要顯著高于細菌。此外,珊瑚礁水體中病毒單日能夠感染裂解的細菌量極高,如法屬波利尼西亞珊瑚礁水體中每日裂解的細菌量是庫存細菌量的24%—367%[7],此過程能夠為珊瑚礁區(qū)水體提供1.0—62.0 μg/天的溶解有機碳(dissolved organic carbon,DOC)[7]。因此,病毒感染裂解細菌是珊瑚礁區(qū)碳庫的重要物質(zhì)來源,對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學循環(huán)起到重要影響。

除烈性噬菌體外,溫和噬菌體則是通過溶原作用的途徑感染宿主。Bouvy等[10]研究發(fā)現(xiàn),在南太平洋阿赫環(huán)礁和塔卡羅阿環(huán)礁(位于土阿莫土群島)區(qū)域,有2.5%—89.9%的細菌受溫和噬菌體感染轉(zhuǎn)變?yōu)槿茉约毦?lysogenic bacteria)。最新針對太平洋和大西洋的24個珊瑚礁病毒組的研究顯示,珊瑚礁中微生物的生物量越高則溫和噬菌體的比例越大,并在某些情況下病毒的感染方式能夠由感染裂解轉(zhuǎn)變?yōu)槿茉饔肹8]。這一發(fā)現(xiàn)打破了以往研究者所認為的病毒-宿主生物動力學模式,即“Kill-the-Winner”(殺死-勝利)模式,而“Piggyback-the-Winner”(依附-勝利)病毒-宿主動力學模式可能更適用于珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)[4,9]。因此,相比于烈性噬菌體,溫和噬菌體對珊瑚礁微生物群落的塑造作用更強。

2.2 促進生物進化

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中,溫和噬菌體的溶原作用會通過水平基因遷移或傳導的方式改變細菌宿主的基因組成,從而實現(xiàn)細菌物種的進化[4—5,51]。據(jù)報道[52—55],病毒可以編碼宿主輔助新陳代謝的相關(guān)基因(auxiliary metabolic gene,AMG),例如：光合系統(tǒng)、碳代謝、核酸代謝等,此過程能夠增強宿主的生長速率,并調(diào)控宿主的健康狀況。Paul等[56]研究發(fā)現(xiàn),溫和噬菌體可通過抑制細菌宿主新陳代謝的方式促使其在寡營養(yǎng)的海域長期生存。相反,在營養(yǎng)水平較高的珊瑚礁區(qū)域,溫和噬菌體則會通過溶原作用提高細菌宿主的新陳代謝功能[4]。此外,由病毒所主導的水平基因遷移還能改變細菌宿主群落的毒力水平。已有研究發(fā)現(xiàn),珊瑚病原菌溶珊瑚弧菌(Vibriocoralliilyticus)基因組中存在被溫和噬菌體所編碼的毒力基因,且位于染色體毒力島上的毒力因子基因也在溶珊瑚弧菌的一些菌株中被檢測到[6]。因此,珊瑚礁病毒可以介導礁棲微生物遺傳物質(zhì)的快速遷移,并在珊瑚礁微生物的進化與毒力水平的增加中起到重要作用。

另外,病毒的感染活動在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中極為活躍,其不僅會引發(fā)高的水平基因遷移速率,還會塑造微生物宿主群落多樣性與組成[4]。雖然,珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中由病毒介導的水平基因遷移速率還未被精確測定,但在其他的海洋環(huán)境中已經(jīng)得到了驗證。以位于美國佛羅里達坦帕灣(Tampa Bay)的河口區(qū)域為例,病毒在該亞熱帶區(qū)域具有更高水平的感染活動,其所介導水平基因遷移數(shù)高達1014次/a,水平基因傳遞速率高于熱帶區(qū)域6個數(shù)量級[52]。Rodriguez-Brito等[57]通過檢測4個不同鹽度海洋環(huán)境的病毒與細菌時發(fā)現(xiàn),病毒能夠塑造細菌的多樣性與群落組成,病毒與細菌的的種群規(guī)?？梢栽诜€(wěn)定的海洋生態(tài)系統(tǒng)中進行短期、快速波動。

2.3 生物地球化學循環(huán)

碳循環(huán)是珊瑚礁中重要的生物地球化學循環(huán)過程[8,21,58—59],而病毒則可以通過感染裂解異養(yǎng)細菌的方式向珊瑚礁水體中釋放DOC,進而影響貧營養(yǎng)的珊瑚礁中的碳循環(huán)過程[7]。Payet等[7]分析奧普諾湖灣珊瑚礁水體中的DOC時發(fā)現(xiàn),病毒感染裂解細菌的產(chǎn)物可以貢獻2%—15%的DOC含量(假定珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中的平均DOC含量為68 μM[60]),并為珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中的異養(yǎng)細菌提供DOC和相關(guān)營養(yǎng)來源。該過程所貢獻的DOC含量大約是寡營養(yǎng)的極地生態(tài)系統(tǒng)的1—90倍[61—62]。病毒所貢獻的DOC的含量在珊瑚礁的不同地貌帶之間也存在差異,其與病毒產(chǎn)物量的空間變化規(guī)律相一致。礁后區(qū)域的日病毒產(chǎn)物量最低(11.8×109病毒/L),岸礁區(qū)域的日病毒產(chǎn)物量最高(6.1×109病毒/L)[7]。而礁后和岸礁區(qū)域病毒每日感染裂解細菌的DOC釋放量則分別為4.2 μg/L與 7.8 μg/L[4,7]。生物因素(如：浮游植物、低核酸細菌、高核酸細菌等)和非生物因素(如：溶解態(tài)活性磷酸鹽、溶解無機碳)可以部分解釋珊瑚礁不同地貌帶病毒感染裂解產(chǎn)物量的差異,且一般認為控制病毒產(chǎn)物量的主要生物因素為低核酸細菌量,而非生物因素則為溶解態(tài)活性磷酸鹽[7]。但基于距離線性模型(Distance-based linear model,DistLM)方法的分析結(jié)果僅能解釋病毒產(chǎn)物量47%的變化規(guī)律(生物因素：28%；非生物因素：19%)[7],因此,后續(xù)的研究還需結(jié)合不同的統(tǒng)計學模型和更多的生物、非生物因素進行深入探索。另外,許多研究發(fā)現(xiàn),珊瑚礁病毒的感染活動還為底棲生物提供了大約10%的總固碳量[4,63—64],這表明珊瑚礁中的病毒對大型生物的碳循環(huán)過程也具有顯著的影響。

除碳循環(huán)外,珊瑚礁還是進行高效氮循環(huán)的海域[25]。珊瑚礁中氮的遷移轉(zhuǎn)化不僅對其本身生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力至關(guān)重要[65—66],而且還影響著整個海洋生態(tài)系統(tǒng)中氮的生物化學循環(huán)[66—68]。目前,國際上的研究尚不清楚病毒能否影響珊瑚的氮循環(huán)過程,但是,可以明確的是病毒可以感染參與珊瑚礁氮循環(huán)過程的浮游藻類[4]。以夏威夷歐湖島的珊瑚礁為例,Culley等[69]以病毒DNA聚合酶基因為分子標記(病毒DNA合成必須的酶)發(fā)現(xiàn)了藻類脫氧核糖核酸病毒科具有很高的病毒多樣性,且該科中的許多新型單鏈DNA病毒已經(jīng)感染了歐湖島卡內(nèi)奧赫灣珊瑚礁區(qū)的浮游藻類。如果珊瑚礁浮游藻類受病毒爆發(fā)影響發(fā)生大規(guī)模的消亡,勢必會影響到珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程與初級生產(chǎn)力。此外,已有研究在熱帶海洋的水體中發(fā)現(xiàn)了多樣化的類小核糖核酸病毒(Picornavirus)和類藻類脫氧核糖核酸病毒序列,這些病毒可能會感染生存于水體中的甲藻、硅藻以及其他原生動物,并進一步影響珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程[4]。

3 珊瑚礁病毒對全球氣候變化的響應

3.1 熱壓力

全球海洋變暖是導致珊瑚大規(guī)模白化與死亡的直接原因[21,70—72]。雖然許多珊瑚共/附生微生物組成員(例如蟲黃藻和細菌)應對熱脅迫時的生態(tài)功能已被闡明[24,73—76],但在熱脅迫期間病毒對珊瑚健康狀況的影響機制卻尚不明確。已有研究顯示,珊瑚在受到熱脅迫時,其所分泌黏液中的病毒含量可增加約10倍,且感染活動異常頻繁,這能夠有效調(diào)整熱脅迫條件下珊瑚黏液層的微生物群落結(jié)構(gòu)[41]。Vega Thurber等[44]通過室內(nèi)升溫實驗發(fā)現(xiàn),在適宜溫度條件下(珊瑚生長狀態(tài)健康),扁縮濱珊瑚(Poritescompressa)體內(nèi)病毒群落主要由23%的桿狀病毒科(Baculoviridae)和30%的多脫氧核糖核酸病毒科(Polydnaviridae)成員組成,而在熱脅迫條件下(升溫5℃,珊瑚處于亞健康狀態(tài)),皰疹病毒科(圖2)則在珊瑚體內(nèi)病毒群落中占據(jù)主導(相對豐度為70%)。據(jù)報道,皰疹病毒科中的許多成員具備感染無脊椎動物(例如：人工養(yǎng)殖的雙殼類)的能力[78]。因此,由熱壓力所引發(fā)的皰疹病毒豐度的增加可能會破壞珊瑚及其它刺胞動物的免疫系統(tǒng)健康[44,79],并威脅珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 4種典型的珊瑚礁真核生物病毒

另外,病毒還介導了熱壓力條件下珊瑚-蟲黃藻共生體系的崩潰過程[31,80—81]。Correa等[31]從受熱脅迫(31.5℃,12小時)的Montastraeacavernosa的共生蟲黃藻細胞中分離出了核質(zhì)巨D(zhuǎn)NA病毒與單鏈RNA病毒。進一步分析發(fā)現(xiàn),藻類脫氧核糖核酸病毒科(圖2)在M.cavernosa的病毒群落中占據(jù)主導,其豐度約為69%[31],此病毒能夠感染蟲黃藻并破壞珊瑚-蟲黃藻共生體系的穩(wěn)定性[4,31,77]。此外,M.cavernosa的病毒群落中還包含與異甲藻單鏈RNA病毒(ssRNAHeterocapsacircularisquamavirus)具有很高同源性的新型病毒序列[31],這對熱壓力影響下的珊瑚-蟲黃藻共生體系而言可能是一個全新的威脅。另外,在熱壓力條件下,新型病毒的豐度會顯著增加,并影響珊瑚-蟲黃藻共生體系的健康狀況。據(jù)大堡礁的相關(guān)研究顯示[28],在自然海區(qū)受高溫脅迫的多孔鹿角珊瑚(Acroporamillepora)體內(nèi)檢測到了直徑為300—500 nm新型的核質(zhì)巨D(zhuǎn)NA病毒(圖2),其同樣具備感染裂解蟲黃藻細胞的能力。因此,珊瑚的熱白化過程與病毒活動存在緊密的關(guān)聯(lián)。然而,病毒是否會通過感染裂解作用調(diào)控珊瑚共生蟲黃藻的切換與重組尚未可知,值得深入探索。

3.2 珊瑚疾病

除熱壓力外,珊瑚疾病也是導致珊瑚礁大規(guī)模退化的主要原因之一[79,82]。據(jù)統(tǒng)計[20,83—85],自20世紀70年代以來,受氣候變化的影響,珊瑚疾病的發(fā)生規(guī)模與發(fā)病率持續(xù)增加,累計感染疾病的珊瑚106種,范圍涉及全球54個國家的珊瑚礁。雖然,許多的珊瑚疾病是由病原菌感染所致,例如引發(fā)珊瑚黑帶病的病原體是由硫酸鹽還原菌(Desulfovibriospp.)、硫化物氧化菌(Beggiatoaspp.)以及氰細菌(Phormidiumcorallyticum)所組成的細菌團[85—86]。但是,對珊瑚極具威脅的“白色瘟疫”、黃斑病、白帶病等疾病則與病毒直接感染珊瑚宿主細胞存在緊密的關(guān)聯(lián)[19,44]。

以具有較高發(fā)病率的“白色瘟疫”為例,該疾病的感染、擴散速率極快(損傷擴散速度為0.3—20 cm/天)[15—16],并能夠在同個礁區(qū)的珊瑚個體之間實現(xiàn)傳播[15],對珊瑚礁造成極大的破壞。“白色瘟疫”可依據(jù)發(fā)病過程劃分為3個類型,分別為白色瘟疫-I、白色瘟疫-II以及白色瘟疫-III。其中,白色瘟疫-II是由于珊瑚受耗氧異養(yǎng)型微生物橙單細胞菌(Aurantimonascoralicida)的感染所致[87—88],但白色瘟疫-I和白色瘟疫-III兩個類型的病原體至今尚不明確。因此,許多研究認為,病毒可能是導致珊瑚罹患“白色瘟疫”的主要原因[4,14]。Soffer等[14]通過透射電鏡與454焦磷酸測序技術(shù)分析發(fā)現(xiàn),在罹患“白色瘟疫”的Montastraeaannularis組織中,存在大量能夠感染真核生物的小型圓環(huán)單鏈DNA病毒(圖2),而病原菌則未存在于珊瑚組織內(nèi)。相較于其它類型病毒,圓環(huán)病毒科是罹患“白色瘟疫”珊瑚體內(nèi)豐度最高的病毒類型,且健康珊瑚體內(nèi)圓環(huán)病毒的豐度要顯著低于疾病珊瑚[4]。此外,多種不同類型的病毒可能會共同參與介導 “白色瘟疫”。許多研究顯示,藻類脫氧核糖核酸病毒科和皰疹病毒科也在罹患“白色瘟疫”的珊瑚體內(nèi)具有極高的豐度,這些病毒能夠分別感染共生蟲黃藻與珊瑚細胞,并造成珊瑚共生功能體的生理功能的紊亂[4,14,77,89]。另外,珊瑚宏轉(zhuǎn)錄組的最新研究也表明[90],噬菌體和真核生物病毒在波多黎各受“白色瘟疫”暴發(fā)影響的Orbicellafaveolata體內(nèi)具有最高的轉(zhuǎn)錄子豐度,這進一步證實了病毒在“白色瘟疫”爆發(fā)期間具有活躍的感染活動。但是,在珊瑚“白色瘟疫”的發(fā)病過程中,不同病毒類型感染活動的激活條件、感染活動發(fā)生的先后順序以及宿主(珊瑚與蟲黃藻)細胞的免疫應答機制尚不清楚,這對全面揭示病毒介導“白色瘟疫”的致病機理至關(guān)重要,需要更為深入的研究與探索。

病毒所介導的疾病可通過水體實現(xiàn)跨珊瑚物種的傳播,進而引發(fā)整個礁區(qū)的珊瑚疾病暴發(fā)。已有的研究表明,疑似由病毒所介導的 “白色瘟疫”[14—15]、白帶病[17]以及黃斑病[19]均具有傳染性。Patten等[91]對大堡礁赫倫島與利澤德島爆發(fā)“白色綜合征”(疑似“白色瘟疫”)珊瑚疾病的礁區(qū)水體開展相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),疾病珊瑚上方水體中的病毒含量是周圍水體的4倍。另外,由于珊瑚黏液層具有富集水體中病毒作用[36],這可能會加快病毒在珊瑚群體之間的傳播。Nguyen-Kim等[41]對越南芽莊珊瑚礁的病毒研究發(fā)現(xiàn),珊瑚黏液層是病毒感染活動的熱點區(qū)域,其病毒豐度(3.9×107病毒/mL)、每小時病毒產(chǎn)物量(1.9×106病毒/mL)以及溶原細胞生成率(8.5%)均顯著高于礁區(qū)水體(病毒豐度：1.5×107病毒/mL；每小時病毒裂解產(chǎn)物：0.2×106病毒/mL;溶原細胞生成率：3.8%)。因此,水體中的病毒可能是通過珊瑚黏液的富集作用進入珊瑚體內(nèi),進而感染珊瑚宿主細胞。

4 展望

病毒作為地球上重要的生物學實體,其在珊瑚礁中的生物進化、生物地球化學循環(huán)以及全球環(huán)境響應中起到了關(guān)鍵作用。隨著氣候變化進程的加劇,全球珊瑚礁將面臨著熱壓力激增與珊瑚疾病大規(guī)模爆發(fā)的威脅[44,92],而病毒活躍的感染活動會直接影響到整個生態(tài)系統(tǒng)的健康水平與環(huán)境適應性。目前,國際上關(guān)于珊瑚礁病毒的研究尚處于初步階段,僅對珊瑚礁病毒的分布特征、生態(tài)功能以及環(huán)境響應機制開展了零星工作,而國內(nèi)目前還未開展過關(guān)于珊瑚礁病毒的相關(guān)研究。

南海珊瑚礁總面積約為30000 km2,約占世界珊瑚礁總面積的2.57%[93],其對南海生物多樣性的維持與生態(tài)資源的供給具有極為重要的作用[25]。但是,在氣候變化的持續(xù)影響下,南海珊瑚礁處于快速退化的處境之中,其速率甚至高于全球其它區(qū)域的珊瑚礁[21]?；诨钌汉鞲采w度[94—95]、蟲黃藻密度[96]等生態(tài)指標的分析顯示,終年受高溫影響的南沙群島珊瑚礁已處于亞健康狀態(tài)。朱志雄等[97]對西沙群島的珊瑚主要疾病的研究也發(fā)現(xiàn),該區(qū)域存在9種不同癥狀的珊瑚疾病,且珊瑚疾病在西沙群島具有較高的發(fā)病率。而上述生態(tài)現(xiàn)象的出現(xiàn)必然伴隨著活躍的病毒感染活動及其對珊瑚礁生物地球化學循環(huán)過程的影響。因此,揭示病毒在南海珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中的分布特征、生態(tài)功能以及環(huán)境響應機制,將為科學評估氣候變化背景下,南海珊瑚礁的健康狀況與環(huán)境適應性提供重要依據(jù)。

結(jié)合國際上關(guān)于珊瑚礁病毒的研究進展與南海珊瑚礁的生態(tài)現(xiàn)狀,建議從以下幾個方面開展相關(guān)研究：

(1)南海珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中病毒的時空分布特征及其變化規(guī)律。相比于珊瑚礁中的其它微生物(例如蟲黃藻、細菌、古菌、真菌等),關(guān)于病毒分子生態(tài)學的研究依舊十分匱乏?？赏ㄟ^深入分析病毒多樣性、群落組成、潛在宿主、交互作用的時-空變化特征,揭示南海珊瑚礁中病毒的功能特征及其生態(tài)影響。

(2)病毒對南海珊瑚熱白化、珊瑚疾病的介導作用及其與氣候變化的關(guān)系。通過野外調(diào)查和室內(nèi)實驗相結(jié)合的研究方式,針對與氣候變化相關(guān)特征指標,深入分析高溫、富營養(yǎng)化、酸化等對病毒活動的誘導作用,明確由病毒所引發(fā)珊瑚疾病的類型。建議采用多組學(宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組以及蛋白質(zhì)組)聯(lián)用、酶聯(lián)熒光原位雜交(Catalyzed reporter deposition fluorescent in situ hybridization,CARD-FISH)等新一代分子技術(shù)手段,對南海珊瑚共生功能體的宏病毒組開展系統(tǒng)研究。

(3)病毒對南海珊瑚礁生物地球化學循環(huán)的貢獻。可從南海珊瑚及其它礁棲生物的分泌物入手,并結(jié)合水體、沉積物等多類型樣本,探索病毒在珊瑚礁生物地球化學循環(huán)中所起的作用,完善珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)與氮循環(huán)框架。