青藏高原是亚洲水塔，冰川消融将高海拔微生物源源不断输入下游江河。本研究基于近700份宏基因组数据，构建冰川‑河流病毒组目录，揭示噬菌体（仅侵染细菌的环境病毒，不感染人及动植物）的基因组适应、生活史转换、宿主互作及生物地球化学功能沿海拔梯度的变化，为认识气候变暖下冰冻圈流域的生态响应提供组学依据。
青藏高原被誉为亚洲水塔，孕育长江、黄河、澜沧江、雅鲁藏布江等多条亚洲大河。在全球气候变暖背景下，高原冰川加速消融，封存于冰川内部的微生物随融水向下游迁移，深刻影响整个流域的生态功能。
噬菌体是一类仅侵染细菌的环境病毒，不会感染人类与动植物。它们在水体中广泛存在，通过侵染裂解宿主、介导基因水平转移调控微生物群落结构，参与碳、氮、硫等关键元素的生物地球化学循环。但在从高海拔冰川，经冰川补给高原河流，一直到下游平原河流这一巨大环境梯度上，噬菌体如何适应低温、强紫外、寡营养的极端生境，其基因组特征、生存模式、宿主互作会发生怎样的变化，此前一直缺少系统性解析。
近日，北京大学环境科学与工程学院倪晋仁课题组在《Nature Communications》在线发表相关研究成果。研究基于课题组实测的长江、黄河、澜沧江、雅鲁藏布江的597份宏基因组样本，以及85套公开青藏高原冰川宏基因组数据，构建了冰川‑河流病毒组目录（Glacier‑to‑River Virome Catalogue, GtRVC），包含36 358个vOTU病毒操作分类单元、897 250个病毒蛋白簇，挖掘出大量高原水系尚未被认知的微生物“暗物质”。依托该数据集，完整解析噬菌体群落从冰川源头向下游平原的连续演变规律。
高海拔极端环境对噬菌体施加了强烈的选择压力。冰川与上游河流来源噬菌体基因组拥有更高的GC（鸟嘌呤和胞嘧啶）含量、更大的基因组尺寸，富集大量冷适应相关基因；蛋白序列上表现为残基侧链碳原子数偏低，氮、硫原子占比更高。同时冰川噬菌体携带更多抗宿主防御系统基因，用来对抗细菌CRISPR等免疫机制，反映冰川生境下噬菌体‑宿主之间激烈的“军备竞赛”。上述基因组特征并非突变式切换，而是随着海拔下降呈现逐步过渡的变化趋势。
噬菌体的生存策略发生沿梯度的系统性转变：由高海拔以温和（溶源）型为主，向下游逐步转向裂解型占优。冰川区优势噬菌体当中温和型占比可达63.5%，这类噬菌体倾向整合进宿主细菌基因组，和宿主长期共存；随着海拔降低，到高原河流下降至45%，至平原河流仅为16%。下游宿主细菌丰度提升，感染机会增多，裂解型快速复制传播的生存策略更具优势。噬菌体‑宿主互作强度也随之改变：冰川环境噬菌体与宿主丰度比值最高，二者呈负相关；冰川环境下单个宿主平均可被超过3个温和噬菌体感染，到平原区域降至约2.35个，噬菌体与宿主的相互作用强度沿流域梯度持续减弱。
噬菌体携带大量辅助代谢基因，深度参与流域生物地球化学循环，功能沿流域发生接力式更替。冰川噬菌体富集硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐转运基因，帮助宿主在营养贫瘠的冰川环境捕获养分；进入平原河流，噬菌体更多携带反硝化、同化硫酸盐还原相关基因，匹配下游营养条件与元素转化需求，参与氮硫等元素的矿化过程。
研究同时关注病原相关风险的沿程变化：潜在病原菌占比在冰川环境高于下游；冰川中携带抗生素抗性基因的病原菌会遭受更高强度的噬菌体侵染。冰川大量温和型噬菌体，有可能通过溶原转换介导抗性基因、毒力因子在细菌之间传播；而平原河流裂解型噬菌体占主导，可通过裂解作用有效压制潜在病原菌丰度。
本研究证实，噬菌体并非仅是被动随水流迁移的“过客”，也是亚洲水塔敏感生态系统中关键的微生物调控者。冰川向下游输送的不仅是淡水、泥沙，还有完整的噬菌体群落；噬菌体通过基因组适应、生活史转换、重塑宿主互作、调控元素转化，深刻塑造从冰川到平原整条流域的微生物生态。该成果为理解气候变暖背景下冰川消融带来的流域连锁生态效应，提供噬菌体生态学层面的重要依据。
该研究得到国家自然科学基金项目（Nos. U2240205和51721006）、青海大学生态学一流学科创新研究项目（2026-ST-01）及青海省创新平台建设项目（2025-ZJ-J09）的资助。研究成果以“Elevation-structured viral ecological strategies along glacier-fed rivers on the Qinghai-Tibet Plateau”为题，于2026年9月7日正式在线发表于Nature Communications。北京大学倪晋仁教授为论文通讯作者，博士生李盈皞为第一作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-76431-5
课题组近期在环境微生物组学研究领域的相关研究：
1. Huaiyu Cao, Songfeng Liu, Pinggui Cai, Pengwei Li, Jiawen Wang & Jinren Ni*, Phage-mediated resistome dynamics in global aquifers. Nature Water, 2026, 4:78–90.
2. Chunfang Deng, Jinyun Hu, Qian Chen, Shungui Zhou, and Jinren Ni*, Expanded global groundwater microbial diversity reveals bioprospecting potential. Cell Reports, 2026, 45, 116760.
3. Pengwei Li, Zongzhi Wu, Tang Liu, Chunfang Deng, Quan Liu, Jinren Ni*. The defensome of prokaryotes in aquifers. Nature Communications, 2025, 16, 6482.
4. Zongzhi Wu, Shufeng Liu, Jinren Ni*. Metagenomic characterization of viruses and mobile genetic elements associated with the DPANN archaeal superphylum. Nature Microbiology. 2024, 9:3362-3375.
5. Zongzhi Wu#, Tang Liu#, Qian Chen, Tianyi Chen, Jinyun Hu, Liyu Sun, Bingxue Wang, Wenpeng Li, Jinren Ni*. Unveiling the unknown viral world in groundwater. Nature Communications, 2024, 15, 6788.
6. Tianyi Chen, Tang Liu, Zongzhi Wu, Bingxue Wang, Qian Chen, Mi Zhang, Enhang Liang, Jinren Ni*. Virus-pathogen interactions improve water quality along the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Canal. The ISME Journal, 2023, 17:1719-1732.
