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本综述聚焦噬菌体（phages）对微生物表型异质性的调控机制与生态影响。探讨其通过裂解 / 溶原周期、代谢重编程、辅助代谢基因（AMGs）等驱动单细胞差异，影响群落结构与生物地球化学循环，强调整合噬菌体 - 宿主互作于生态模型的重要性。
噬菌体（phages）作为一类仅能在原核细胞内利用宿主 machinery 复制的感染性生物因子，在地球生态系统中高度丰富，其感染可导致水平基因转移、微生物代谢改变及宿主细胞死亡。微生物表型异质性指同基因微生物群体中个体表达不同代谢功能的现象，其分子机制多样，基因表达的随机性是常见原因，而 “风险对冲”（bet hedging）策略是微生物应对环境波动的进化策略。
噬菌体驱动微生物表型异质性的机制多样。感染状态差异是重要因素，自然微生物群体中并非所有细胞同时感染，感染与未感染亚群间存在代谢和生理多样性，影响细胞功能、抗逆性和种群动态。噬菌体的裂解和溶原生命周期策略差异显著，裂解性感染导致快速的噬菌体产生和宿主种群更新，溶原性则是噬菌体基因组整合到宿主染色体，可促成长期表型异质性。同一群体中的细胞可能处于感染的不同阶段，从早期病毒基因组复制到即将裂解或稳定溶原，这些动态过程创造了一系列表型状态。
噬菌体通过原噬菌体（prophages）插入宿主染色体调控宿主基因表达，进而影响代谢。例如 λ 噬菌体在大肠杆菌中的溶原状态，其编码的裂解抑制蛋白 cI 可特异性抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（pckA）基因表达，降低细菌生长速率，在营养匮乏条件下可能对宿主有益。HK022 原噬菌体整合到宿主基因组中，通过影响 torT 和 torS 基因表达，改变大肠杆菌的呼吸策略，抑制 TMAO 呼吸的风险对冲策略。原噬菌体的切除也会显著影响宿主表型，如假单胞菌 KT2440 中 Pspu28 原噬菌体的切除可增加邻近基因 PP_1531 的表达水平，提升宿主在根际的定植适应性。
噬菌体编码的辅助代谢基因（AMGs）能调控宿主代谢。AMGs 在病毒组中广泛存在，其表达可增强宿主的碳水化合物代谢、硫氧化、硝化等多种活动。例如，在磷限制条件下，感染聚球藻 NATL2A 的噬藻体 P-SSM2 携带的 pstS 基因转录水平比宿主拷贝高 20 倍，增强宿主获取磷的能力。蓝噬菌体携带的 CP12 基因可抑制卡尔文循环中的关键酶，将碳通量从葡萄糖合成转向戊糖磷酸途径（PPP），促进 NADPH 产生，支持噬菌体在宿主细胞中的繁殖。
在裂解性复制中，噬菌体通过劫持转录和翻译过程优先进行病毒复制，对宿主代谢产生显著且直接的控制，可抑制中心代谢途径、改变碳氮通量或重定向能量用于噬菌体生物合成。不同噬菌体 - 宿主对的代谢重编程存在差异，如 HS2 感染抑制高耗能代谢，HP1 感染则约束宿主转录并重编程中心碳和能量代谢。宿主对噬菌体的抗性发展常伴随表型改变，如噬纤维菌 MM#3 在与噬菌体共培养时，抗噬菌体突变体的代谢能力发生多样化，对多种碳源的代谢能力下降。
噬菌体驱动的表型异质性在生态环境中具有重要意义。在生物膜和土壤等结构化环境中，资源和氧化还原条件的空间异质性导致微生物代谢状态多样，进而调节噬菌体易感性。代谢活跃的微位点可能成为病毒复制和宿主细胞裂解的热点，而营养有限或生长缓慢的细胞常逃避裂解性感染，成为噬菌体耐受表型或可诱导原噬菌体的载体。噬菌体感染不仅通过选择性杀死宿主调节微生物群落组成，还通过病毒分流（viral shunt）将细胞内成分释放到环境中，刺激异养微生物和初级生产者的营养吸收，影响碳和营养物质的循环。温带噬菌体的溶原周期可通过原噬菌体插入宿主染色体引入新功能或作为宿主基因的调节开关，影响宿主表型和生态功能。
目前对噬菌体 - 宿主相互作用的理解主要来自群落水平的组学方法等，但这些方法往往掩盖了单个细胞内发生的异质性和调控变化。纳米二次离子质谱（NanoSIMS）、稳定同位素探针（SIP）、荧光原位杂交（FISH）等先进单细胞技术为将噬菌体基因表达与细胞特异性活动联系起来提供了有力途径，可识别感染状态、量化营养同化并跟踪亚群规模的代谢变化。未来研究需将单细胞测量与种群水平的感染动态相结合，将噬菌体驱动的表型变异纳入基于特征或功能群的建模框架，以更好地预测微生物群落及其调节的生态系统服务对环境变化的响应。
