DNA病毒群落通过辅助代谢基因增强污染土壤微生物固碳能力的研究

《Nature Communications》：DNA viral community enhances microbial carbon fixation capacity via auxiliary metabolic genes in contaminated soils

本研究针对碳匮乏污染土壤中微生物固碳能力受限的问题，通过大尺度空间调查与实验验证相结合，揭示了病毒携带的固碳相关辅助代谢基因（AMGs）对土壤碳固定的促进作用。研究人员从中国东部58个金属矿区采集土壤样本，通过宏基因组学鉴定出11类固碳AMGs，并证实其酶活性；病毒接种实验显示土壤有机碳（SOC）积累显著提升。该研究为评估病毒在碳循环中的贡献提供了理论依据，对污染土壤生态修复具有重要指导意义。

　　

土壤作为陆地最大的有机碳库，储存着约1500-2400 Pg的碳，对维持全球碳平衡具有关键作用。然而，全球变暖、土地利用变化和生物多样性丧失等因素正加剧土壤碳损失。采矿活动导致的土壤污染通过改变土地覆盖进一步影响全球碳循环，长期污染会抑制微生物的固碳功能，如伍德-永达尔途径（Wood-Ljungdahl pathway）和还原型三羧酸循环（roTCA cycle）的活性受到抑制，削弱了土壤碳汇能力。在这一背景下，病毒作为微生物群落的重要调节者，其携带的辅助代谢基因（AMGs）可能通过调控宿主代谢来增强碳固定，尤其在碳匮乏的污染环境中，这一机制尚未得到充分探索。

为此，研究人员从中国东部58个金属矿区的409份土壤样本（包括323份污染样本和86份非污染样本）中展开研究。通过宏基因组学分析，共鉴定出31,210个病毒操作分类单元（vOTUs），其中污染土壤中近70%的病毒在科水平上无法分类，显示出独特的病毒多样性。病毒群落结构与pH、有效镍和铜浓度等环境因子显著相关，且污染土壤中病毒与细菌的丰富度随污染程度升高而下降。研究进一步识别出23个属于11类固碳途径的AMGs，覆盖卡尔文-本森循环（CB cycle）、roTCA循环、3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（3-HP/4-HB cycle）等关键途径。其中，rbcL（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶大亚基）和korB（2-氧代戊二酸铁氧还蛋白氧化还原酶β亚基）等基因的病毒携带量分别占固碳AMGs病毒总丰度的18%和15%。

通过系统发育分析和水平基因转移（HGT）预测，发现这些AMGs可能起源于变形菌门（Proteobacteria）和扁平菌门（Planctomycetota）等宿主，且病毒与宿主间存在广泛的基因交换事件。启动子分析显示，rbcL1、ppdK1和TKTI等AMGs上游均存在Sigma-70转录启动子，提示其具有表达潜力。酶活实验证实，这些AMGs在异源表达后均表现出高催化活性，例如rbcL1与rbcS共表达可催化核酮糖-1,5-二磷酸羧化反应，将CO₂固定为生物质。通过噬菌体VCSM13介导的基因转导实验，进一步验证了病毒作为基因载体促进固碳基因水平转移的能力。

为验证病毒对土壤碳固定的实际贡献，研究团队在微宇宙培养实验中接种活性病毒并添加¹³C标记的无机碳源。结果显示，活性病毒接种后土壤无机碳（SIC）显著下降10%（p<0.01），而土壤有机碳（SOC）积累量增加11%（p<0.05），且¹³C-SOC的积累量比灭活病毒处理高10%（p<0.01）。转录组分析表明，rbcL1、ppdK1和TKTI等AMGs的表达量显著上调，微生物固碳基因整体表达量提升73%（p<0.05）。此外，病毒接种还促进了化能自养细菌（如黄色杆菌科Xanthobacteraceae和罗丹杆菌科Rhodanobacteraceae）的富集，进一步强化了土壤碳固定能力。

本研究的关键技术方法包括：基于中国东部58个矿区大尺度采样获取土壤样本；通过VirSorter和VIBRANT进行病毒基因组鉴定与注释；利用宏基因组组装基因组（MAGs）分析病毒-宿主关联；采用系统发育树和水平基因转移（HGT）预测追溯AMGs起源；通过原核表达和酶联免疫吸附测定（ELISA）验证AMGs酶活性；结合稳定同位素标记（¹³C）微宇宙培养与转录组学量化病毒对碳固定的贡献。

Abiotic and biological associations of viruses in contaminated soils

通过空间尺度调查发现，污染土壤中病毒群落具有高度异质性，79%的vOTUs为独有类型。环境因子（如pH、有效重金属浓度）显著影响病毒群落结构，其中pH的相关性最强（Mantel's r=0.46）。病毒与宿主的关联分析显示，低丰度菌群（如Patescibacteria）具有较高的病毒感染范围，表明病毒在污染环境中存在宿主偏好性。

Virus-encoded AMGs involved in C fixation

共鉴定出23个参与碳固定的AMGs，其宿主主要分布于变形菌门、扁平菌门和酸杆菌门（Acidobacteriota）。聚合提升树（ABT）模型表明，携带固碳AMGs的病毒对污染土壤SOC的贡献达5%，而在非污染土壤中未检测到类似影响。水平基因转移事件进一步证实了病毒与宿主间固碳基因的交流。

Impact of viral inoculation on C fixation in soils

病毒接种实验直接证实了病毒对碳固定的促进作用：活性病毒处理下，SOC和¹³C-SOC积累量显著高于灭活病毒对照组。同时，固碳关键基因（如rbcL、ppdK和TKT）表达上调，且自养细菌丰度增加，表明病毒通过调控微生物代谢强化了土壤碳汇功能。

研究结论指出，病毒通过携带固碳AMGs并介导其水平转移，显著增强了污染土壤中微生物的碳固定能力。这种病毒-宿主互作不仅促进了有机碳的积累，还提高了微生物群落对逆境的适应性。该发现为理解病毒在碳循环中的作用提供了新视角，强调了在评估生态系统碳固定时需纳入病毒贡献的必要性。此外，研究提出的病毒调控机制为通过微生物工程修复污染土壤、提升碳汇功能提供了潜在策略。相关成果发表于《Nature Communications》，对全球碳循环模型构建和退化生态系统恢复具有重要科学价值。