在地球上，病毒是最豐富和多樣的生命形式，棲息在每個環境中。例如，在海洋中，病毒甚至比微生物更多，其數量是微生物的十倍。病毒通過感染生物體進行複制，範圍從人類和動物到昆蟲甚至微生物。儘管感染微生物的環境病毒的存在並不是一個新的發現，但它們的流行程度以前是未知的。研究人員剛剛開始理解病毒的豐富多樣性以及它們對生態系統的影響和它們在生態系統中的功能。

遙控潛水器（ROV Jason）在墨西哥Guaymas盆地海平面以下2000米處採集熱液微生物墊層的樣本。

發表在《自然-微生物學》上的一項新研究對感染深海微生物的病毒進行了研究，並發現有證據表明病毒與一組比以前認為的更多樣化的宿主進行互動。該研究的發現可能有助於更好地了解病毒和工程病毒療法。

主要作者是有機體和進化生物學系的博士生Yunha Hwang和高級作者Peter Girguis教授，他們在2021年墨西哥瓜伊馬斯盆地的一次考察中收集了深海熱液噴口微生物墊的樣本。這些微生物墊層由大量的細菌和古細菌組成，這些微生物在這些生態系統中占主導地位。兩者都是微生物，但細菌和古細菌是非常不同的類群；就像細菌與人一樣彼此不同。

雖然有天壤之別，但許多古細菌和細菌通過共生關係生存。在熱液噴口，細菌和古細菌形成的群體可以從這些環境中發現的甲烷中獲取能量。雖然這種關係對生存是必要的，但它並沒有改變這兩個品系在生物學上非常不同的事實。這使得Hwang和Girguis發現細菌和古細菌都帶有對相同病毒的免疫力時更加感到驚訝了。

提出的模型之一，免疫力的水平轉移導致整個社區對病毒的複原力增加

“當我們看到這個結果時，我們感到很困惑，”Hwang說，”因為不管它們是否是共生的，感染機制被認為是非常複雜的，而且是針對宿主的。如果古菌和細菌如此不同，一種病毒怎麼能同時感染兩者呢？”這個問題促使研究人員思考病毒與微生物互動的所有不同方式，這些方式超出了感染範圍。

大多數關於病毒的工作都是在實驗室裡用一種培養物和一種病毒完成的。研究最近才開始擴展到自然環境，這需要使用不同的工具，因為微生物在實驗室中不容易培養。

Hwang說：”我們所知道的存在於自然界的微生物中，大約有99%或更多的微生物無法在實驗室中培養，現在我們能夠對微生物DNA進行測序，而不用培養海洋或土壤中的東西。有了這個，我們就可以問，’那裡的病毒是什麼，它們的相互作用是什麼？”

在加入Girguis的實驗室之前，Hwang研究了沙漠環境中的病毒，並觀察到自然界中宿主與病毒的相互作用比實驗室環境中要細微得多。深海噴口–與沙漠土壤相反–藏有大型微生物墊，有數十億微生物參與共生關係。在觀察這些獨特的環境時，研究人員問道，如果微生物生活在如此高的密度中，是否存在具有更廣泛”宿主範圍”的病毒？換句話說，它們是否有能力感染不同的微生物？

他們對樣本的DNA進行了測序，並恢復了微生物和病毒的元基因組組裝基因組。他們使用CRISPR間隔物（編碼微生物的免疫記憶）來推斷該微生物對樣本中的哪些病毒具有免疫力。

為了證實他們的發現，他們採用了一種叫做Hi-C（高通量染色體構象捕獲）測序的較新技術。如果在一個細胞內發現病毒DNA，Hi-C技術可以對交聯的病毒和宿主DNA進行測序。發現病毒DNA和微生物DNA之間的統計學意義上的接觸，研究人員可以證實他們的發現，病毒DNA不僅在一種類型的細胞中，而且在系統發育遙遠的細胞中也是如此。

“CRISPR間隔條分析和Hi-C數據顯示了一個驚人的模式，即病毒在基因組上與關係非常疏遠的微生物組相互作用，特別是那些相互共生的微生物，”Hwang說，”這種相互作用導致了一個非常有趣的現象，即共生微生物攜帶針對相同病毒的免疫記憶，這意味著共生夥伴合作中存在一種優勢，也存在於其免疫力中。我們已經在細菌種群中看到了這一點，但我們還沒有在遠緣物種中看到這一點。這是一個相當有意義的發現，因為它揭示了自然環境是如何相互聯繫的。”

“Yunha非常聰明，她設計了一個實驗，利用通風口微生物墊來更好地了解病毒在微生物密度高得離譜的棲息地的作用，”Girguis說，”她在尋找古細菌和細菌的基因組中的模式方面也很有想法。CRISPR間隔條和Hi-C數據向我們表明，細菌以某種方式與古細菌的同一種病毒相互作用。”

這項研究挑戰了傳統的智慧，即病毒與一組狹窄的宿主相互作用。而且，儘管研究人員仍在收集單一種類的病毒感染這兩個非常不同的宿主的直接證據，但數據清楚地顯示了細菌和古細菌都對同一病毒具有免疫力的證據。

這些結果使Hwang和Girguis提出了不同的宿主-病毒相互作用的模型，其生態和進化的影響超出了感染的範圍。他們提出，病毒與不是病毒主要宿主的微生物的相互作用實際上可能在自然界中普遍存在，特別是在微生物以共生關係存在的地方。

Hwang說：”同一個病毒非常不可能同時感染細菌和古細菌。”相反，我們提出，要么一個夥伴在與病毒發生非感染性接觸後獲得併保留了免疫力，和/或免疫力在共生夥伴之間橫向轉移。”

自然環境中宿主-病毒相互作用的多價性，以及感染之外的多種相互作用模式，在研究人員將病毒用於生物技術和醫學應用時提出了重要的考慮，比如在像腸道這樣的自然環境中進行病毒治療。

Hwang說：”自然環境中的這些宿主-病毒相互作用表明免疫力可以跨越大的系統發育距離，導致種群間共同建立更大的病毒復原力。”