长期施肥条件下不同土地利用类型中病毒群落及病毒编码辅助代谢基因的响应机制

针对长期施肥如何影响不同土地利用类型土壤中病毒群落及病毒编码辅助代谢基因（AMGs）这一科学问题，研究人员通过宏病毒组测序技术，揭示了稻田和旱地土壤中病毒群落结构差异及碳循环相关AMGs的功能分化。研究发现有机肥显著富集AMGs并驱动病毒-宿主互作策略转变，为土壤养分循环的病毒调控机制提供了新见解。

　　

土壤作为地球上最复杂的微生物栖息地之一，每克土壤中蕴藏着10⁷–10¹⁰个病毒颗粒，其多样性远超水生环境。然而，全球土壤病毒组中96.7%的序列仍无法分类，这片"暗物质"领域隐藏着调控土壤生态系统的关键钥匙。其中，噬菌体通过裂解和溶原两种生活方式深刻影响着土壤养分循环——裂解性噬菌体通过"病毒分流"（viral shunt）重塑微生物群落，而溶原性噬菌体则通过编码辅助代谢基因（AMGs）改写宿主的代谢程序。尽管已有研究揭示了施肥对细菌、古菌和真菌的影响，但长期施肥如何通过病毒-宿主互作调控不同土地利用类型土壤的生态功能，仍是亟待破解的科学谜题。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所的研究人员以湖南祁阳农田生态系统国家观测研究站的长期施肥试验田为研究对象，采用宏病毒组测序和16S rRNA基因测序技术，系统分析了稻田和旱地土壤在四种施肥处理（不施肥、单施化肥、单施有机肥、有机无机配施）下的病毒群落结构特征。研究通过CheckV筛选获得8,328个高质量病毒操作分类单元（vOTUs），结合土壤理化性质和多变量统计分析，揭示了病毒编码AMGs对碳循环的调控机制。

主要技术方法

研究选取相邻稻田和旱地土壤样本，通过0.22 μm滤膜过滤和超速离心富集病毒颗粒，采用Illumina平台进行宏病毒组测序。病毒序列经CheckV质控后构建vOTUs，使用VirSorter2和DeepVirFinder进行病毒预测。AMGs通过eggNOG数据库注释，碳循环功能通过KEGG通路分析。微生物群落通过16S rRNA基因测序解析，土壤NH₄⁺-N和总锰含量采用标准方法测定。

病毒群落响应特征

稻田土壤病毒群落的香农指数显著高于旱地（P < 0.001），且对施肥处理的敏感性较低。结构方程模型显示，稻田和旱地病毒群落分别主要受NH₄⁺-N和总锰含量驱动，而非微生物群落本身。值得注意的是，有机肥施用显著增加了微病毒科（Microviridae）的丰度，可能与牲畜粪便输入有关。

病毒生活策略分化

旱地土壤中溶原性噬菌体比例显著高于稻田（P < 0.05），且更倾向于采用"搭便车获胜"（piggyback-the-winner）策略。这种差异源于旱地较低的营养水平和较高的宿主生存压力，促使病毒与宿主形成互利关系。

AMGs功能特异性

有机肥显著富集了碳循环相关AMGs，但功能呈现土地利用类型特异性：稻田土壤AMGs主要参与能量代谢和生物合成，而旱地AMGs则主导复杂碳水化合物分解和细胞壁合成。这种分化反映了病毒对宿主代谢途径的精准调控，如稻田中糖苷水解酶基因（GH23）的富集与纤维素降解相关。

研究意义

该研究首次系统揭示了长期施肥下病毒群落和AMGs的土地利用类型特异性响应规律，建立了土壤性质-病毒群落-AMGs功能的三级关联框架。发现有机肥通过调控AMGs重塑碳循环路径，为农业管理中的病毒资源利用提供了理论依据。特别是旱地土壤病毒"搭便车获胜"策略的揭示，为理解营养胁迫环境下的病毒-宿主协同进化提供了新视角。研究成果发表于《Journal of Environmental Sciences》，为土壤病毒生态学研究开辟了农业活动干扰下的新研究方向。