近年来，一个有趣的话题是，在生命进化过程中原核生物与病毒之间是如何进行持续的攻防——“军备竞赛”的？地下水作为一个较为“原始”的生态系统，受人类活动干预相对较小，从而为深入认识原核生物与病毒之间古老的“军备竞赛”提供了理想的研究场所。
北京大学环境科学与工程学院倪晋仁课题组基于中国七大地质环境分区的600多个地下水样本，构建了首个“地下水原核生物防御组目录（GPDC）”，揭示了地下水微生物免疫资源的巨大多样性和新颖性。研究发现，候选门级辐射（CPR）细菌和DPANN古菌等共生微生物在强病毒压力下演化出独特的防御策略，同时揭示了防御系统与抗生素抗性基因（ARGs）等适应性性状间的权衡关系，为“噬菌体疗法”抑制超级耐药菌提供了环境应用依据。此外，关于CRISPR-Cas9系统与抗CRISPR（Acr）蛋白的相互作用研究，也为基因编辑技术拓展了新资源。
该研究基于“一线”防御系统和“附属”防御系统的理论框架，系统解析了微生物防御组的分布特征，发现“附属”防御系统主要通过可移动遗传元件进行水平转移，并富集于防御岛区域。噬菌体中共定位的抗防御基因以及CRISPR-Cas9和抗CRISPR蛋白之间的相互作用，则展现了噬菌体突破宿主防御的反制策略。原核生物与噬菌体之间的“军备竞赛”仍在继续，且呈现出多层次的攻防互动，未来需进一步解析未培养微生物的免疫图谱及病毒-宿主相互作用机制，以揭示更广泛的生态适应策略，为环境生物修复和新型生物技术开发提供重要的理论基础。
该研究得到了国家自然科学基金联合基金重点支持项目（No. U2240205）和国家自然科学基金委创新研究群体项目（No. 51721006）的资助。研究成果以“The defensome of prokaryotes in aquifers”为题，于2025年7月14日在线发表于Nature Communications。倪晋仁教授为论文通讯作者，博士生李鹏伟为第一作者。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61467-w
课题组在环境病毒组研究领域的前期研究：
(1) 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.
(2) 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.
(3) 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.
