根际触发病毒溶原性调控微生物代谢重编程以增强砷氧化的机制研究

为解决土壤砷(As)污染对水稻种植的威胁，浙江大学团队通过时间序列宏基因组分析，揭示了根际环境通过促进病毒溶原性(lysogeny)调控宿主微生物代谢重编程的机制。研究发现溶原性病毒通过富集砷氧化基因(aioA/arxA等)和磷代谢基因(phnK/pstS等)，介导水平基因转移(HGT)，贡献了25%的微生物砷氧化能力。该研究为利用根际病毒调控土壤健康提供了新思路。

　　

砷(As)作为全球性土壤污染物，通过水稻积累进入食物链威胁人类健康。尽管已知根际是砷转化的热点区域，但病毒在这一过程中的作用长期被忽视。传统研究聚焦于微生物驱动的砷氧化还原过程，却忽略了数量十倍于细菌的土壤病毒可能扮演的"生态基石"角色。更关键的是，病毒如何响应根际特殊环境（如富氧、低pH）来调控宿主代谢仍属未知。

浙江大学环境与资源学院Bin Ma团队在《Nature Communications》发表研究，通过100天时间序列采样，结合宏基因组、GEMs模型和体外验证实验，首次系统揭示了根际病毒通过溶原性生活方式重塑宿主砷代谢网络的机制。研究采集中国浙江水稻根际及本体土壤样本，运用DIS内标定量宏基因组测序、病毒-宿主互作预测、AlphaFold2蛋白结构模拟等技术，构建了693个砷氧化微生物的基因组尺度代谢模型。

砷氧化微生物与病毒关联特征
根际砷氧化微生物丰度较本体土壤高2倍，其携带的aioA、arxA等氧化基因显著富集。通过CRISPR间隔序列和原噬菌体预测，发现112属微生物与150个病毒存在特异性关联，且Autographiviridae家族病毒与砷氧化微生物共生偏好显著。

根际促进病毒溶原性
溶原病毒在根际丰度比本体土壤高21%（p<0.0001），整合酶基因和病毒宿主比(VHR)分析证实该趋势。有趣的是，溶原性在营养生长期达到峰值，与水稻根系泌氧高峰同步，暗示氧梯度是关键调控因子。

AMGs与HGT的协同作用
病毒携带的砷氧化基因(arxS/arsH)和磷代谢基因(phnK/RegX3)形成共富集模块。AlphaFold2预测显示这些AMGs的pTM评分>0.8，具有完整功能结构。发现40例病毒-宿主的HGT事件，其中Kaistella菌通过HGT获得arxS基因后，根际定殖能力提升3.2倍。

GEMs量化病毒贡献
代谢通量分析表明，99个微生物物种完全依赖病毒基因进行砷氧化（病毒依赖性贡献16.8%），59个物种通过病毒增强氧化效率（贡献4.2%）。氧通量增加使Proteobacteria和Bacteroidota门微生物的病毒调控效应提升37%。

体外实验验证
MC诱导实验显示，根际溶原病毒使微生物砷氧化能力提升25.63%，显著高于本体土壤病毒组（p=0.0217）。TEM观察到典型蝌蚪形噬菌体颗粒，直径约100nm。

该研究建立了"根际环境-病毒溶原性-宿主代谢"的调控框架，揭示病毒通过AMGs供给和HGT两条途径增强微生物环境适应性。特别发现磷饥饿信号通路(RegX3/phoP)与砷氧化的协同调控，为理解As-P共代谢提供了新视角。实践层面，研究建议通过调控根际氧环境和磷补给来优化病毒介导的砷钝化策略，这对发展绿色农业具有重要意义。成果不仅拓展了土壤病毒生态学的认知边界，也为合成微生物组设计提供了理论依据。