《Journal of Hazardous Materials》：Viral Regulation of N
2O Emissions Depends on Soil Acidity
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长期的土壤酸化改变了反硝化菌和病毒的基因组特征。
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在酸性土壤中，活跃的病毒将N?O的积
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长期的土壤酸化改变了反硝化菌和病毒的基因组特征。
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在酸性土壤中，活跃的病毒将N?O的积累减少了高达62.5%。
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酸性土壤在没有nosZ富集的情况下也能有效减少N?O的生成。
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宿主的抗病毒防御机制最能预测对活跃病毒的数量响应。
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病毒对反硝化作用的影响强烈依赖于土壤酸度。
引言
酸性土壤占全球农业用地的约50%，其中pH值低于5.5的面积约为4000万公顷。[1] 土壤酸化加剧了铝的毒性，并破坏了微生物群落，对生态系统健康构成重大威胁，同时可能刺激温室气体的排放。[1],[2] 一氧化二氮（N?O）是一种强效的气候变暖因子，[3],[4],[5] 其100年的全球变暖潜力是二氧化碳的273倍。[6],[7] 许多研究表明，土壤酸化可以刺激农业N?O的排放，而土壤反硝化过程估计占这些排放量的60-70%。[8],[9],[10]
关于酸化土壤中N?O排放的多数机制理解来自短期（几天到几个月）的pH值调控实验。[11],[12] 这些实验表明，急性酸胁迫会增加N?O/(N?O + N?)的产物比率，改变反硝化菌群落，并抑制完全的反硝化作用。[11],[12] 然而，短期扰动主要捕捉到的是短暂的生理反应。在持续存在土壤pH值差异的情况下，微生物群落可能会展现出仅通过短期酸化无法推断出的群落和基因组特征。长期pH值调控和天然酸性土壤中的反硝化菌群落具有不同的组成、pH敏感性以及N?O生成潜力。[13],[14] 低pH值还可能损害N?O还原酶（NosZ）的翻译后成熟过程，即使nosZ被转录，也会限制N?O的还原。[15] 结合在广泛空间尺度上观察到的土壤pH值与N?O排放之间的非线性关系，[3] 这些发现提出了一个核心问题：长期土壤酸化是如何塑造反硝化菌特征和N?O排放的？
土壤病毒越来越被认为是微生物群落和生物地球化学过程的重要调节者。[16],[17],[18] 通过裂解性感染、溶原性、水平基因转移和辅助代谢基因（AMGs），病毒可以改变宿主种群动态和生物地球化学循环。[18] 尽管土壤病毒数量众多，但对其的研究仍远不如对其水生对应物的研究深入。[16],[17] 最近的实验表明，土壤噬菌体可以改变有机物的矿化[19]，土壤病毒浓缩物可以改变原核生物群落和温室气体（包括N?O）的生成[20],[21] 然而，在持续的环境压力下，病毒与反硝化菌之间的相互作用仍不清楚。这提出了第二个问题：土壤病毒是否可以在长期酸化条件下有助于减少N?O排放？
为了解决这些问题，我们从中国重庆的一个长期土壤观测站收集了土壤样本（补充材料，图S1）。这个自然实验平台包括酸性（pH 4.8）、中性（pH 6.7）和碱性（pH 8.2）土壤，这些土壤在相同的的气候和管理条件下已经维持了17年以上。我们假设长期酸化（1）会塑造反硝化菌的不同适应特征，（2）改变病毒对反硝化菌动态和N?O排放的影响。
我们实施了一个双组分实验框架（图1A）。首先，我们使用15N追踪、D?O标记的单细胞拉曼光谱、定量PCR和扩增子测序来确定未处理土壤之间的反硝化潜力和群落结构的基线差异。其次，我们进行了一个添加病毒的平行实验来评估活跃土壤病毒的影响。具体来说，我们提取了土壤病毒颗粒，通过透射电子显微镜对其形态进行了表征，然后将它们重新引入原始土壤基质中，并将活跃病毒添加的情况与热失活的病毒颗粒对照组进行了比较。在培养7天后，我们对样本进行了宏基因组测序，以表征三种土壤中的微生物和病毒基因组特征以及对活跃病毒添加的反应。同时，我们测量了潜在的N?O排放量、nosZ的丰度和N?O还原酶水平。最后，我们开发了一个机器学习框架来识别与病毒相关变化相关的基因组特征。我们的发现揭示了长期酸化条件下反硝化菌特征、病毒-宿主相互作用和N?O排放之间的pH依赖性联系，为未来的气候缓解策略提供了基础性见解。
章节摘录
研究地点和样本特征
该长期观测站建立于2007年，位于中国重庆北碚（106°25′45″ E, 29°49′18″ N；图S1A）。[22] 该地区具有亚热带季风气候，年平均温度为18.3°C，年降水量为1115.3毫米。[22],[23] 相邻的田块具有共同的区域地质背景和管理历史，土壤由风化的中生代紫色-红色沉积岩形成。[23],[24] 母岩中碳酸盐含量的自然变化
土壤反硝化和微生物活动
收集了代表不同长期酸化条件的酸性（pH 4.8）、中性（pH 6.7）和碱性（pH 8.2）土壤（图S1）。我们首先研究了三种土壤之间的潜在反硝化率和N?O排放量的差异（图1B和C）。酸性土壤的潜在反硝化率为38.56微克/千克·小时，显著低于中性（69.26微克/千克·小时）和碱性（48.21微克/千克·小时）土壤（P值分别为0.009和0.001；图1B）。潜在的N?O
讨论
我们的研究表明，长期酸化土壤中含有具有不同功能和群体基因组特征的反硝化菌和病毒种群。重新引入活跃的土壤病毒进一步改变了反硝化菌动态，并以pH依赖的方式减少了N?O的积累，其中在酸性土壤中效果最为明显。这些发现支持了我们的假设，即长期酸化塑造了反硝化菌特征，并改变了病毒对反硝化和N?O排放的影响。
结论
总体而言，我们的发现表明土壤病毒是活跃的生物地球化学调节者，其影响超出了传统的捕食者-猎物动态。土壤酸度的长期变化与反硝化菌的生活史策略和宿主抗病毒防御的变化有关，同时也伴随着病毒生活方式、形态以及宿主和病毒的基因组特征的变化。添加活跃病毒在微观尺度上显示出N?O积累的减少，其中效果最为显著
环境影响
本研究揭示了一条以前未被充分认识的病毒途径，该途径影响长期酸化土壤中的N?O排放，并强调了病毒-宿主相互作用作为土壤氮循环的重要生物学组成部分。鉴于集约管理农田的广泛酸化现象，这些发现可能有助于改进N?O排放的预测，并帮助确定在哪些环境条件下病毒调节可以有助于N?O的减少。实地验证将是确定这一点的关键
意义声明
土壤酸化在农业生态系统中普遍存在，可以增强一氧化二氮（N?O）的排放，然而土壤病毒对这一过程的贡献仍了解不足。我们表明，本地土壤病毒以高度依赖酸度的方式调节反硝化菌动态和N?O排放。活跃病毒在酸性土壤中将N?O的积累减少了高达62.5%，同时N?O还原酶的水平升高，而没有显著增加nosZ的丰度。这些发现揭示了
作者贡献
Hailin Zhang和Rui Yan对这项工作做出了同等的贡献。
资助
本研究得到了中国国家自然科学基金[资助编号42522708]和中央高校基本科研业务费[资助编号SWU-KF26014]的支持。
CRediT作者贡献声明
Yiyue Zhang： 写作 – 审稿与编辑。Xiaoxuan Su： 写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，监督，调查，形式分析，概念化。Longfei Yu： 写作 – 审稿与编辑。Kai Yang： 写作 – 审稿与编辑。Baozhan Wang： 写作 – 审稿与编辑。Jiao Wang： 写作 – 审稿与编辑，形式分析。Yunpeng Qiu： 写作 – 审稿与编辑。Linfa Fang： 写作 – 审稿与编辑，调查。Xinping Chen： 写作 – 审稿与
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这份手稿期间，作者仅使用ChatGPT（OpenAI）来改善语言和可读性。作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对最终内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
我们感谢实验室所有成员在研究开发过程中的宝贵讨论和帮助。
