近日，我所海洋生物遗传资源重点实验室董西洋研究员团队联合华中农业大学成锐教授等科研团队，在国际知名期刊《Nature Communications》在线发表了题为“Co-occurrence of diverse defense systems shapes complex microbe–virus relationships in deep-sea cold seeps”的研究成果。该研究系统解析了深海冷泉生态系统中，微生物防御系统与病毒抗防御系统的分布特征及互作关系，揭示了多类防御系统与抗防御系统在极端环境中形成的共演格局，为理解深部生命适应机制提供了新的研究基础。

深海冷泉是全球海洋中重要的极端生境，其高压、低温及富含碳氢化合物的环境孕育了多样的深部微生物群落。病毒在该环境中数量丰富、活动频繁，是影响微生物群落结构和生态功能的重要生物因子。然而，目前关于深海病毒生态及其与宿主的相互作用机制认识仍然有限。该研究整合来自全球17个深海冷泉站位的191份沉积物样品的宏基因组和宏转录组数据，共获得3,813个种水平的微生物基因组，以及13,336个病毒基因组。随后在3,813个微生物基因组中，鉴定出36,783个防御相关基因和26,389套防御系统，其中约63%为此前未见报道的候选防御系统，显示深海冷泉微生物具有丰富而多样的潜在抗病毒机制。多类防御系统在微生物基因组中表现出聚集特征，常以防御岛形式存在；相关性分析结果表明不同冷泉防御系统之间可能通过协同作用共同抵御病毒的侵染；结合宏转录组数据分析表明，这些防御系统在原位环境中具有一定的转录活性。

图1 冷泉微生物防御系统概况

在病毒侧，共检测到1,197个抗防御基因，部分病毒基因组包含两种及以上抗防御基因，提示病毒可通过多路径策略应对宿主的免疫屏障。此外，通过宿主和病毒的关联性分析，发现部分关键代谢类群（如甲烷厌氧氧化古菌、硫酸盐还原菌等）携带较丰富的防御系统。微生物防御基因丰度与甲烷厌氧氧化、硫酸盐还原和固氮等关键代谢功能基因丰度呈显著正相关，提示病毒侵染及宿主防御响应可能对冷泉沉积物中的能量代谢过程产生影响，并进而参与深海生物地球化学循环的调控。关键代谢类群对应病毒也演化出相匹配的抗防御策略，反映出长期互作背景下形成的适应性演化格局。

图2 冷泉微生物防御系统与病毒抗防御系统的互作

该研究还对部分候选防御系统开展了功能验证实验，多套系统在异源表达条件下表现出对不同噬菌体的抑制作用，表明深海冷泉环境中蕴含具有潜在应用价值的抗病毒分子资源，为理解极端生境中病毒—宿主互作机制提供了重要数据支撑。

图3 冷泉候选防御系统的实验验证与结构域预测

该研究为深海冷泉病毒与微生物在极端环境下的防御互作提供了系统证据。通过对大规模基因组数据的比较分析，揭示了病毒压力在冷泉生态中的广泛影响，以及微生物通过多样化防御机制应对病毒侵染的适应策略。研究结果为深入认识深部生命的生态功能、环境响应机制，以及深海生物资源和新型生物防御机制的发掘提供了研究基础和科学依据。

论文第一作者为海洋三所韩迎春助理研究员与硕士研究生廖静，通讯作者为海洋三所董西洋研究员与华中农业大学成锐教授，相关合作单位还包括浙江大学、中科院海洋研究所、大连海事大学、上海交通大学、宁波东方理工大学等。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等资助支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-68174-6