病毒是海洋中丰度最高的生物体,每毫升海水中的病毒数量高达10~8个。海洋病毒在海洋生态系统中扮演了重要的角色,通过对其宿主的裂解,参与海洋微食物环的物质循环和能量流动,同时,调控着水体中病毒-宿主的群落结构。此外,海洋病毒通过水平基因转移和溶源转换,帮助宿主获得新的外源基因和功能,丰富了宿主的遗传多样性,推动了物种进化。鉴于海洋病毒在生态系统和生物进化中的重要作用,本文以宏基因组学和深度生物信息学分析为核心研究手段,通过对水体样品中病毒的大量浓缩和纯化、计数、形态学观察、遗传物质提取、高通量测序以及宏基因组序列分析,探讨了东海3个不同的有代表性的海域表层海水中病毒的形态和遗传多样性特点、空间分布规律;比较分析了东海海水中病毒多样性与滴水湖淡水水体中病毒多样性异同;揭示了东海表层海水中细菌和古菌的多样性特点,为认识病毒与其原核宿主间的相互作用关系奠定了一定的基础。主要的研究结果如下所示:1、病毒数量的空间分布显示:枸杞岛海域表层水体中病毒数量最多(1.38×10~7-1.95×10~7 VLP/mL),其次是长江口海域(1.27×10~7-1.44×10~7 VLP/mL),洋山港海域病毒数量相对最少(4.32×10~6-9.29×10~6 VLP/mL)。东海病毒形态极其多样,主要为有明显‘头-尾’结构的病毒颗粒,包括有较长尾巴的长尾病毒、较短尾巴的短尾病毒以及有伸缩性尾巴的肌尾病毒,均为典型的噬菌体;此外,还有杆状、水滴状、梭状、长丝状形态的病毒,其中,梭状和水滴状的病毒有可能是侵染古菌的病毒。2、东海表层海水中病毒的遗传多样性极为丰富。尽管鉴定出的病毒基因型其序列仅占病毒宏基因组序列的21.1%-28.5%,但已代表着约599-834种病毒。若将未鉴定出的病毒考虑在内,东海表层水体中的病毒种类将高达4000种以上。3、东海表层水中可以鉴定出的病毒主要为Caudovirales(有尾病毒目),少量的Phycodnaviridae和Mimiviridae等其它科的病毒。它们的组成在不同采样水域中有相似,也有差异。洋山港海域和枸杞岛海域占优势的是长尾病毒科,而长江口海域占优势的为短尾病毒科,类似于滴水湖中的优势病毒。病毒的宿主主要为细菌,少量为藻类和原生动物,只有极少量病毒宿主为脊椎动物、无脊椎动物和植物。4、东海表层水体中发现的单链DNA病毒主要是浸染动物的Circoviridae,还有浸染细菌的Microviridae和浸染植物的Nanoviridae和Geminiviridae。通过序列拼接,获得了24条环状基因组,其中有4条与发现自不列颠哥伦比亚省海峡的ssDNA病毒相似,表明ssDNA在全球有广泛的分布,其余的20个环状基因组在数据库中未找到相似性匹配,它们可能是新的尚未被发现的ssDNA病毒。5、东海海域细菌与古菌极其多样。占优势的细菌门类为变形菌门(Proteobacteria),拟杆菌门(Bacteroidetes),放线菌门(Actinobacteria),厚壁菌门(Firmicutes)。洋山港、枸杞岛、长江口的细菌多样性差异较小。而它们与滴水湖的细菌多样性差异较大。东海海域海水中丰度最高的古菌为广古菌门(Euryarchaeota),其次是奇古菌门(Thaumarchaeota),再次是奇古菌门(Crenarchaeota),仅有少量的初古菌门(Korarchaeota)和纳古菌门(Nanoarchaeota)。