土壤病毒研究：方法、分布与生态功能综述

《Toxics》：Viruses in Soil: A Review of Methods, Distribution and Ecological Functions

　　

病毒是土壤生态系统中最丰富且最具活性的生物体。然而，由于缺乏系统分析和土壤基质的复杂性，其空间分布和生态功能仍未得到充分认识。为此，本综述通过梳理研究方法、时空分布和生态功能，系统总结了目前对土壤病毒的认识。综述指出，当前土壤病毒研究仍受技术不统一以及复杂土壤基质中病毒分离困难的制约，因此病毒分布分析大多局限于农田、森林、牧场和草地的小尺度区域，对大规模地理区域、沙漠土壤环境以及RNA病毒多样性的探索尚不充分。土壤病毒群落特征主要受温度、水分和pH等环境因子影响。总体而言，研究人员认为土壤病毒是微生物群落动态和生物地球化学循环的关键驱动因子，但当前的综合认知严重受限于复杂的土壤基质和不一致的病毒分离方法。未来研究应聚焦于长读长测序和单细胞方法等方法学创新，以解析病毒-宿主互作网络及其在大规模和极端环境中的生态功能。

1. 引言

病毒是一类完全依赖宿主细胞机制的独特无细胞实体，形态多样，基因组涵盖双链DNA、单链DNA、双链RNA和单链RNA等类型。由于方法限制，以往研究主要聚焦于噬菌体和DNA病毒，RNA病毒与真菌病毒研究相对薄弱。病毒是地球上最丰富的生物实体，其中约97%的噬菌体存在于土壤和沉积环境中，土壤中病毒样颗粒（virus-like particles, VLPs）浓度可高达10¹⁰ VLPs。土壤病毒在塑造微生物群落结构和全球生物地球化学循环中具有重要作用。然而，土壤作为固、液、气三相共存的异质系统，其独特微环境限制了病毒研究，导致土壤病毒生态学研究滞后于海洋系统近十年。近年来，高通量测序技术的普及推动了土壤病毒研究显著进展，但对其多样性、分布格局和生态功能的认知仍存在较大空白。

2. 文献检索

该综述于2025年11月16日在Web of Science和ScienceDirect两大数据库进行系统检索，以“soil virus”进行初步检索后，联合“病毒生态学”“辅助代谢基因（auxiliary metabolic genes, AMGs）”等关键词优化，最终筛选出140篇符合主题的文章，主要发表于2014至2026年间。文献纳入标准包括土壤病毒学、病毒-宿主互作、土壤病毒生态学、病毒检测方法及生态功能等方面。

3. 土壤病毒提取与分析方法

3.1 土壤病毒提取与纯化

从土壤基质中高效洗脱和回收病毒颗粒是土壤病毒研究的关键第一步。常用缓冲体系包括10%柠檬酸钾、10%牛肉膏、250 mmol·L^?1甘氨酸和10 mmol·L^?1焦磷酸钠。其中牛肉膏溶液对污泥基质洗脱效果较好，柠檬酸钾适用于砂质和壤质土壤。由于洗脱液含有杂质且病毒浓度通常较低，需进一步浓缩纯化，常用方法包括切向流过滤（tangential flow filtration, TFF）、聚乙二醇沉淀和氯化铯密度梯度离心。TFF因表面积大、通量高且不易堵塞而应用最广。提取过程中需通过柱过滤和荧光显微镜确认病毒纯度，排除其他微生物细胞污染。

3.2 土壤病毒鉴定与分析

病毒定量常用透射电子显微镜（transmission electron microscopy, TEM）、荧光显微镜（epifluorescence microscopy, EFM）和流式细胞术（flow cytometry, FCM）。EFM成本低、通量高、捕获效率好，是评估土壤病毒丰度的首选方法；FCM计数与EFM和TEM线性相关，但测得数值更高，适合低浓度样品。指纹分析技术中，脉冲场凝胶电泳（pulsed-field gel electrophoresis, PFGE）按基因组大小分离病毒DNA，但无法区分大小相同或相近的病毒；随机扩增多态性DNA-PCR（random amplified polymorphic DNA-PCR, RAPD-PCR）可提供更高分辨率的遗传多样性信息，结合荧光标记（fluorescent RAPD-PCR, fRAPD）和毛细管测序可实现快速分析。由于土壤病毒缺乏类似16S rRNA基因的通用标记基因，宏基因组学和宏转录组学已成为主流研究工具。宏转录组学揭示了土壤中较高的RNA病毒多样性，并识别出真菌为主要宿主。然而，RNA病毒检测仍面临RNA易降解、转录本丰度低、参考数据库不完善等瓶颈。当前主要挑战还包括病毒回收效率低、活性与休眠状态区分困难以及病毒宿主鉴定困难，需借助长读长测序和单细胞分析方法加以破解。

4. 土壤中病毒的发生与分布

4.1 农业土壤

农业土壤病毒丰度一般介于10⁷–10⁹ g^?1干重，但区域差异显著。例如，美国特拉华州农业土壤含8.7×10⁸–1.