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Jul 20, 2023

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세균성 병원체와 바이러스는 전세계 수인성 질병의 주요 원인입니다. 여기에서 우리는 중국 최대 수자원인 남-북 물 전환 운하(MR-SNWDC)의 중간 경로를 따라 1432km 연속체에 걸쳐 바이러스-병원체 상호 작용을 통해 물 "자기 정화"의 흥미로운 자연 패러다임을 발견했습니다. 세계에서 프로젝트를 전송합니다. MR-SNWDC의 총 인(TP) 함량(ND-0.02mg/L)이 매우 낮기 때문에 전체 운하에서는 2015년 운영 이후 오랫동안 지속되는 인(P) 제한을 경험했습니다. 4443 메타게놈 조립 기반 최근 모니터링 캠페인에서 파생된 게놈(MAG) 및 40,261개의 ​​중복되지 않는 바이러스 운영 분류 단위(vOTU)를 통해 극단적인 P 제약을 겪고 있는 주거용 바이러스는 뉴클레오티드 복제, DNA 복구 및 번역 후 작업을 최소화하기 위해 더 작은 게놈을 숨겨 특별한 적응 전략을 채택해야 함을 발견했습니다. 수정 비용. 하류의 P 공급이 감소함에 따라 박테리아 병원체는 환경 적합성과 성장 잠재력이 억압되고 P 획득, 막 형성 및 리보뉴클레오티드 생합성을 유지하는 능력이 약화되는 것으로 나타났습니다. 결과적으로, 강화된 바이러스 용균성 감염과 바이러스 핵 DNA 복제 주기와 연결된 리보뉴클레오티드 환원효소(RNR) 유전자의 풍부함을 특징으로 하는 P 제한 하의 독특한 바이러스 포식 효과는 예기치 않게 하류 물의 수인성 세균 병원체로 인한 건강 위험을 낮추었습니다. - 수신 지역. 이러한 발견은 수질 개선 및 지속 가능한 수자원 관리를 위한 바이러스-병원체 역학과 관련된 물 자체 정화의 큰 잠재력을 강조했습니다.

세균성 병원체는 다양한 환경에서 위험을 확산시키는 개체군인 반면, 바이러스는 이러한 병원체의 자연적인 경쟁자이자 포식자로서 가장 다양하고 빈번한 상호작용을 보여줍니다. 일반적인 바이러스 생활방식에는 용원성, 용해성 및 만성 감염 주기가 포함됩니다[1]. 악성 바이러스는 즉각적인 숙주 용해에 기여하며[2] 온대 바이러스는 용용성 기간 동안 숙주 세포에 게놈을 통합합니다[3]. 바이러스 복제 및 조립은 영양분과 에너지를 위해 숙주에 크게 의존하기 때문에 영양분이 제한된 조건, 특히 인(P)이 제한된 환경에서 세포와 바이러스 간의 빈번한 상호 작용은 병원체 집단 역학을 조절하고 결과적으로 수생 생태계의 수질에 영향을 미칠 수 있습니다.

수생 미생물의 대규모 레퍼토리는 여러 환경 신호와 관련된 민감한 역학을 나타냅니다. 온도, pH 및 영양분 함량의 변화는 적응성이 높은 종에 대한 자연 선택의 원천으로 작용하고 군집 구성의 높은 수준의 변동을 초래합니다[4]. 인 및 질소(N)와 같은 영양소는 광영양 미생물의 주요 성장 제한 요소이며 미생물 루프를 통해 종속 영양 미생물의 생산성에 추가로 영향을 미칠 수 있습니다[5]. 생태학적 이론에서 Liebig의 최소 법칙은 미생물의 성장 잠재력이 어떤 영양소가 가장 제한적인지에 따라 달라질 수 있음을 의미합니다[6]. Dodd 기준(TP < 0.025 mg/L, TN < 0.7 mg/L)을 포함하여 총 N(TN) 및 총 P(TP) 농도의 조합을 기반으로 N- 또는 P-과소영양 경계에 대해 세 가지 벤치마크 값이 제공됩니다. , 영국의 수질 기준(TP < 0.02 mg/L, TN < 1.5 mg/L), 노르웨이의 수질 기준(TP < 0.02 mg/L, TN < 0.6 mg/L)[7, 8]. 영양소 비율(특히 N:P 비율)은 특정 환경에서 영양 제한을 ​​정의하는 데에도 도움이 됩니다. 예를 들어, N:P의 레드필드 비율은 해양 및 담수 식물성 플랑크톤에 대한 기준으로 "최적" 영양소 화학양론적 비율(16:1)을 제공합니다. 박테리아에 대한 이상적인 영양소 화학양론적 비율에 대한 합의가 이루어지지 않았기 때문에 Redfield 비율은 잠재적인 N 제한 또는 P 제한 조건을 추론하는 데 대략 사용되었습니다[9]. 광범위한 관심을 끄는 일부 P 제한 해양 지역은 장기 시계열 모니터링 데이터에 따라 Redfield 값보다 더 높은 N:P 비율을 나타냈습니다(예: 동부 지중해(~28:1), 버뮤다 대서양 시계열). 연구 장소(>24:1) 및 북태평양 아열대 환류의 관측소 ALOHA(16:1–25:1) [10,11,12]. 또한 Schanz와 Juon은 20:1의 N:P 비율을 담수의 P 제한 조건을 결정하기 위한 벤치마크 값으로 간주합니다[13]. Guildford와 Hecky는 호수 생태계에서 N:P 비율이 22.6을 초과할 때 P-only 제한이 발생한다고 제안했습니다[14]. 미국의 수백 개 호수에 대한 거시적 조사에서는 P 제한 호수에서 평균 N:P 비율이 ~54:1인 것으로 나타났습니다[15]. 최근에는 양쯔강(~53:1), 한강(~65:1), 포강(~100:1) 등 전 세계의 큰 하천에서도 더 높은 N:P 비율이 관찰되었습니다. [16,17,18]. P는 ATP, 핵산, 인지질 및 기타 주요 생체분자의 합성에 근본적으로 중요합니다[19]. P의 가용성 감소는 세포질 막의 생물 발생에 영향을 미쳐 이온 항상성 붕괴 및 세포 형태의 변화를 초래할 수 있습니다[20]. 더욱이, 장기간 지속되는 인 결핍은 탄소 고정, DNA 복제 및 단백질 생합성을 포함한 기본적인 세포 과정의 심각한 억제를 유발할 수 있으며 [21] 심지어 세포 주기 정지 및 세포사멸을 유도할 수도 있습니다.

70% and contamination < 10%. The selected thresholds of MAGs were more rigorous than the medium-quality-level based on the Minimum Information about a Metagenome-Assembled Genome (MIMAG) criteria (completeness ≥ 50%, contamination < 10%) [47], and help provide both abundant and robust community-wide information for residential bacteria in the MR-SNWDC. To ensure reliability of the results, subsequent downstream analyses were also performed for high-quality genomes (completeness > 90%, contamination < 5%) in parallel. Taxonomic assignment of each MAG was conducted using GTDB-Tk [48] based on Genome Taxonomy Database (GTDB, http://gtdb.ecogenomic.org) Release 202./p> 0.85 and p values < 0.05 were retained based on the DeepVirFinder tool. Then, CheckV v0.7.0 [54] was applied to estimate the completeness of all contigs identified with the five tools. Contigs containing provirus integration sites were first processed to remove host regions. The selection of putative viral contigs was based on the following criteria: (I) <90% completeness (low/medium-quality) and contig length ≥ 5 kb; (II) ≥90% completeness (high-quality and complete). Viral contigs identified from all assemblies were dereplicated and clustered at 95% average nucleotide identity (ANI) using CD-HIT v4.8.1 [55] (-c 0.95; -aS 0.85). The representative nonredundant sequences were denoted as vOTUs. Taxonomic annotations of vOTUs were performed using geNomad v1.3.0 (https://github.com/apcamargo/genomad). BACPHLIP [56] was applied to predict the lifestyles of vOTUs with high-quality or complete genomes./p> 0 and \({{{{{\rm{ABUN}}}}}}_{{{{{{\rm{Reg}}}}}}_{1,i}} = 0\)), “promoted” (RGF > 0 and \({{{{{\rm{ABUN}}}}}}_{{{{{{\rm{Reg}}}}}}_{1,i}} > 0\)), “inhibited” (RGF < 0 and \({{{{{\rm{ABUN}}}}}}_{{{{{{\rm{Reg}}}}}}_{x,i}} > 0\)), and “vanished” (\({{{{{\rm{ABUN}}}}}}_{{{{{{\rm{Reg}}}}}}_{x,i}} = 0\))./p> 2) might be needed to support the seasonal shifts in viral communities. Four distinct ecological regions emerged for the endemic spatial distribution of viral communities (p < 0.001, Fig. 1B, C, and Table S3), defined as Reg 1 (Danjiangkou Reservoir: 01–02), Reg 2 (upstream: 03–18), Reg 3 (downstream: 19–28), and Reg 4 (water-receiving areas: 29–32)./p>0.85) between the four regions, indicating high concordance in the frequency of viral occurrence in the whole canal (Fig. S2). Furthermore, the spatial distribution of viral populations from upstream to downstream demonstrated that approximately 75% of vOTUs in the whole MR-SNWDC were observed first in the Danjiangkou Reservoir, specifically accounting for 75~90% of viral richness in each of the three concerned main-canal regions (Fig. 1D). The spatiotemporal pattern of viral communities was consistent with that of bacterial communities represented by 4443 MAGs, although a general balance of viral richness was maintained with a significant loss of bacterial richness downstream (Fig. S3)./p>0.05). The COG functions include: A (RNA processing and modification), B (Chromatin structure and dynamics), C (Energy production and conversion), D (Cell cycle control, cell division, chromosome partitioning), E (Amino acid transport and metabolism), F (Nucleotide transport and metabolism), G (Carbohydrate transport and metabolism), H (Coenzyme transport and metabolism), I (Lipid transport and metabolism), J (Translation, ribosomal structure and biogenesis), K (Transcription), L (Replication, recombination and repair), M (Cell wall/membrane/envelope biogenesis), N (Cell motility), O (Posttranslational modification, protein turnover, chaperones), P (Inorganic ion transport and metabolism), Q (Secondary metabolites biosynthesis, transport and catabolism), T (Signal transduction mechanisms), U (Intracellular trafficking, secretion, and vesicular transport), V (Defense mechanisms), W (Extracellular structures), and Z (Cytoskeleton). Source data are provided in the Source Data file./p> 90%, contamination < 5%), confirming the reliability of the results (Fig. S12). In addition to the P-based genes, we investigated other functional genes associated with carbohydrate, energy, nitrogen, sulfur, and nucleotide metabolism, and found a consistent decline in the average copy number of these genes along the canal (Fig. S13). The extremely low-P supply in downstream regions may fall outside the range of P contents in which bacteria can maintain normal physiological activities, thus showing weakened biological functions related to P acquisition and other basic cellular processes. The universally inhibited presence of P-associated genes, as well as the repressed richness and growth potential of bacteria, suggested their low environmental fitness under selection driven by P constraints./p>60%) to Reg 4 (<40%), and the number of vanished pathogens in Reg 4 was almost tenfold of that in Reg 2 (Fig. 6A). Meanwhile, ten bacterial pathogens carrying multiple ARGs, as antibiotic-resistant super pathogens, appeared upstream but were almost eliminated in the water-receiving areas (Fig. 6B), suggesting a reduction in the current health risks posed by antibiotic-resistant pathogens./p>