全球范围内海洋原核浮游生物抗病毒防御的单细胞分辨率解析

**背景** 越来越多的证据表明，海洋原核浮游生物对病毒感染的抗性存在差异，这种差异使病毒群体和宿主群体得以共存。近期针对模式生物的实验研究揭示了数十种新的抗病毒防御机制。这种多样性促使人们提出“泛免疫模型”假说：多种防御机制作为 closely related individuals 之间共享的资源，从而拓宽群体的抗性范围，并减轻个体负担。然而，此类防御资源库在自然微生物群落中的组成和丰度仍在很大程度上未知。在本研究中，我们通过对全球海水样品集合中数千个随机获得的单细胞扩增基因组（single-amplified genomes，SAGs）进行抗病毒防御机制的定量分析，开始对海洋原核生物的抗性进行参数化，并界定其防御谱系。 **结果** 原核浮游生物SAGs平均含有1.1种防御机制；与透光的表层海洋相比，深海（200 m–11 km）原核生物基因组中的防御机制负荷略高。每个细胞所含防御机制的数量具有分类单元特异性，与深度、分类单元丰度、估算的最大生长速率或病毒感染率几乎没有关系，或完全没有关系。数量最多且在分类学上分布最广泛的防御机制是限制-修饰系统；其次，在透光海洋中为dGTPase（主要存在于Pelagibacterales），在深海中为AbiU（主要存在于Nitrososphaerales）。大多数其他类型的防御机制都较为罕见（存在于3个门）。我们发现，最常见的防御系统RM II存在跨域交换的证据，即该系统在古菌与细菌之间发生了转移。这一发现加深了我们对这一广泛存在的防御机制生物学特征的理解，并可能有助于预测靶向基序，从而在表观遗传学研究中将病毒与其潜在宿主联系起来。 **结论** 总体而言，这些结果表明，各谱系会限制用于防御机制的基因组空间，但同时允许广泛的侧向转移；这种现象可能有助于维持群落层面的防御变异，而不仅仅是在亲缘关系密切的个体之间维持变异。本研究提供了一幅原核浮游生物免疫的定量图谱，有助于夯实我们对地球最大生物群系——公海中病毒-微生物相互作用的认识。

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**背景**

越来越多的证据表明，海洋原核浮游生物对病毒感染的抗性存在差异，这使病毒种群与宿主种群得以共存。近期针对模式生物的实验研究揭示了数十种新型抗病毒防御机制。这种多样性促使人们提出了“泛免疫模型”假说：在该模型中，多种防御机制作为一种共享资源存在于亲缘关系密切的个体之间，从而扩大种群的抗性范围，并减轻单个个体所承担的负担。然而，这类防御资源库在自然微生物群落中的组成与丰度仍在很大程度上未知。在持有人为作者/资助者，其已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。

该预印本依据

CC-BY-ND 4.0 国际许可协议

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发布于 2026 年 9 月 17 日。

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海洋原核浮游生物抗病毒防御的全球单细胞分辨率研究

Alaina R Weinheimer

，

Julia Brown

，

Gregory Gavelis

，

Tianyi Chang

，

Migle Stitilyte

，

Giedrius Gasiunas

，

Ramunas Stepanauskas

bioRxiv

2026.09.15.751803；

doi：

https://doi.org/10.64898/2026.09.15.751803

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海洋原核浮游生物抗病毒防御的全球单细胞分辨率研究

Alaina R Weinheimer

，

Julia Brown

，

Gregory Gavelis

，

Tianyi Chang

，

Migle Stitilyte

，

Giedrius Gasiunas

，

Ramunas Stepanauskas

bioRxiv

2026.09.15.751803；

doi：

https://doi.org/10.64898/2026.09.15.751803

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.15.751803v1?rss=1

🏷️ 海洋原核浮游生物 抗病毒防御机制 单细胞基因组 限制-修饰系统 水平基因转移 病毒-微生物相互作用