不同程度人為干擾土壤中病毒組成及分布差異

李虎，趙沙，黃福義，蘇建強

1. 中國科學院城市環境研究所，福建 廈門 361021；2. 福建農林大學生命科學學院，福建 福州 350002；3. 中國科學院大學，北京 100049

病毒廣泛存在地球環境中，是土壤中最豐富和最多樣化的生命體（Williamson et al.，2017）。據估算，全球生態系統中存在的病毒總量高達1031VLPs（virus-like particles），土壤中病毒豐度大約為103－109VLPs·g-1土壤（Williamson et al.，2017）。裂解性病毒能夠裂解其宿主，將微生物體中的化學物質等釋放入土壤中，直接參與土壤生物地球化學循環；另外，通過宏基因組分析發現土壤病毒組中攜帶有元素循環功能基因或者輔助因子（Huang et al.，2021；Wu et al.，2022；Zheng et al.，2022），預示著其可能直接通過編碼功能酶等參與土壤生物化學循環。除了直接參與元素循環，病毒同時也能通過影響微生物的新陳代謝及群落組組成間接影響地球化學元素循環（Wang et al.，2022），進而影響陸地生態系統的生態功能（Williamson et al.，2012；Bondy-Denomy et al.，2016；Roux et al.，2016）。另外，某些土壤病毒甚至能夠引起動植物病害和人類疾?。ㄈ畛x等，2022）。由于土壤顆粒能夠吸附大量的病毒，對土壤病毒富集較難，需要大量的土壤樣品才能較好的獲得足量的病毒DNA/RNA 樣品，因此目前大多數研究主要關注海洋病毒，對土壤病毒的認識仍十分缺乏。同時由于RNA 在提取過程中極易被降解，富集土壤RNA 病毒及提取其RNA的方法都不成熟，目前對土壤病毒分布特征的研究主要集中于DNA 病毒（Williamson et al.，2017），缺少對RNA 病毒系統性的研究。由于土壤病毒高度多變，缺乏像細菌16S rRNA 和真核微生物18S rRNA 基因的目的片段，因此目前對土壤病毒的研究主要采用宏基因組及宏病毒組，方法較單一，不能完全闡述土壤病毒在不同生態系統中的生態作用，因此亟需對土壤病毒開展進一步的研究。

不同土地利用方式（既不同程度人為干擾）改變土壤理化性質，進而對微生物群落組成、多樣性及生態功能造成顯著影響。Merino-Martín et al.（2021）研究發現土地利用方式的改變直接改變了土壤顆粒穩定性以及土壤中的C∶N、SOC 發生，同時造成了微生物群落結構的變化；Cai et al.（2018）采用基于細菌16S rRNA 基因的高通量測序技術表明土地利用方式的改變影響了中國熱帶地區土壤微生物群落組成。此外，Santos et al.（2020）發現跨越歐洲的農業土壤中，土地利用方式改變顯著影響了土壤不同營養級原生生物微生物組。然而，目前對人為活動導致的土地利用方式改變的影響主要關注理化性質、細菌、真菌及土壤動物等，對以微生物為主要宿主的土壤病毒的研究相對缺乏。因此本文綜述不同程度人為干擾土壤（自然環境、城市綠地及農業土壤）病毒群體的分布特征，著眼于不同程度人為干擾土壤病毒群體對生物地球化學的影響，以求更全面厘清土壤微生物在生物地球化學循環中的作用及生物學機制。

1 土壤病毒調節微生物群落組成和豐度

噬菌體（即細菌病毒，病毒主要組成部分）與微生物系統的生態相關性已經在水生環境中得到了廣泛的探索（Brum et al.，2015），研究表明海洋微生物群落組成、豐度以及微生物的壽命、基因流動和代謝輸出受到海洋病毒的調節（Gregory et al.，2019），但關于土壤中兩者的相互作用關系仍不清楚，亟需進一步的研究。先前的研究結果表明土壤病毒不僅可以通過裂解微生物直接改變其群落結構，也可以通過影響其新陳代謝間接改變微生物群落組成，裂解性病毒感染微生物后將直接導致微生物大量裂解死亡，從而使微生物群落中的物種不斷更替以調控土壤微生物群落結構和豐度（Knowles et al.，2016；Silveira et al.，2016），而溶原性病毒被認為是土壤中主要的生存方式（Liang et al.，2020），通過與宿主形成互惠共存關系（Knowles et al.，2016；Howard-Varona et al.，2017）進一步加速微生物的進化過程以及決定其進化方向，溶原性噬菌體可能在地球生態系統中發揮著更加重要作用（Prigent et al.，2005；Williamson et al.，2007；Prestel et al.，2008）。并且病毒可以根據宿主的豐度以及所在環境來決定其生活策略（Knowles et al.，2016），裂解和溶原方式循環共同調節微生物群落的生態和進化過程（Vos et al.，2009；Rodriguez-Valera et al.，2009；Faruque et al.，2012；Koskella et al.，2014；Braga et al.，2018）。Thingstad（2000）和Thingstad et al.（2014）通過添加單一噬菌體和兩種耐藥性細菌之間的競爭和防御實驗以及之后的土壤環境采樣實驗再次驗證了微生物密度增加的同時病毒密度也會增加，Santos-Medellin et al.（2021）則通過運用宏基因組學、宏病毒組學技術揭示了整個番茄生長季節中病毒和微生物群落動態之間的相似性，這些研究表明了土壤病毒在土壤圈中的重要性，也為進一步探索土壤病毒提供了現實證據。

2 土壤病毒影響土壤生物地球化學循環過程

病毒主要通過直接和間接方式參與陸地生態系統元素生物地球化學循環過程，并在此過程中發揮著重要作用。土壤病毒可能會通過輔助代謝基因或者功能基因直接影響生物地球化學循環外，也可間接參與生物地球化學循環（圖1），其方式主要有3 種：1）病毒裂解微生物，使其中營養物質及核酸、蛋白等物質釋放，此過程破壞了有機碳和營養物質從微生物向更高營養水平的流動并且促進微生物生物量的流通（Fuhrman，1999；Wommack et al.，2000；Weitz et al.，2015），直接影響土壤環境營養動態；2）病毒還可以通過轉導作用將遺傳基因片段在不同宿主間進行交換，推動微生物及病毒自身種群進化，可使原來不發揮功能的微生物和病毒具有功能基因片段并進行表達，直接參與元素循環；3）病毒通過侵染細菌、真菌和藍細菌等微生物，影響它們的新陳代謝和存活率，從而影響生態系統中微生物群落結構和多樣性，間接影響元素循環。先前的研究表明土壤病毒通過自身輔助代謝基因（AMGs）直接參與元素循環，但是大多數研究僅從高通量測序結果表明病毒土壤攜帶相關輔助代謝基因，Emerson et al.（2018）對永久凍土中的土壤病毒的輔助代謝基因鑒定，證明病毒可能直接影響宿主的碳循環功能；Liang et al.（2019）人在表面和地下病毒中都觀察到高豐度的病毒碳水化合物代謝基因，這表明碳水化合物降解AMGs 在土壤病毒中廣泛存在，可能有助于碳循環的調節；Jin et al.（2019）通過對植物根際土壤病毒體中的輔助碳水化合物活性酶基因的檢測結果表明病毒可以通過假定的AMGs 或病毒編碼的代謝基因對細菌代謝進行重新編程，從而直接促進生物地球化學循環，這些結果為進一步的直接驗證土壤病毒的生態功能的控制性實驗提供了可行性方案。

圖1 病毒影響土壤元素循環途徑Figure 1 Viruses affect the circulation of soil elements

現階段研究表明土壤病毒具有影響碳循環系統和氮循環系統的潛力（Guidi et al.，2016；Braga et al.，2020）。2021 年Braga et al.（2020）通過添加噬菌體和細菌的不同裝配模型發現噬菌體驅動土壤細菌群落的組裝和功能，并發現土壤病毒改變了土壤氮素有效性；2022 年Wang et al.（2022）不僅從高通量測序結果中鑒定到土壤病毒攜帶AMGs，并且通過向滅菌水稻土壤中添加可以侵染陰溝腸桿菌（Enterobacter）的單一噬菌體的控制性實驗表明土壤病毒可以通過裂解宿主降低了土壤的固氮能力，但至今未有直接添加病毒粒子的控制性實驗來闡明不同土地利用類型土壤病毒影響生物地球化學循環的微生物機制。

3 病毒在不同程度人為干擾土壤中的分布及功能

不同土地利用方式（不同程度人為干擾）下土壤受到的人為干擾程度、擁有的生物群體以及覆蓋植被不同，造就了不同的生境，揭示土壤病毒群落對人為活動驅動的土地利用方式改變的響應及分布規律可以為全面解析土壤微生物的生態格局提供新的思路。很多研究表明：土地利用改變必然導致土壤理化性質等發生變化（Guo et al.，2002；謝天等，2019），同時將改變土壤微生物組成及其裝配方式，進一步影響土壤生態系統的生態學功能（Schaufler et al.，2010；Zhu et al.，2018；Qian et al.，2021）。Chen et al.（2022a）綜合了90 項研究的數據發現土地利用改變導致土壤有機碳、總氮和碳氮比的變化是控制微生物組成的主要因素；French et al.（2017）通過對不同演替階段的森林、草地及相應農業土壤微生物進行高通量測序分析，發現不同利用方式下土壤理化性質發生了顯著變化，進而影響了微生物群落組成及多樣性。然而，目前主要關注不同程度人為干擾下細菌、真菌等的分布特征及生態功能，對以微生物為主要宿主的土壤病毒是被忽略的，雖然有研究表明不同程度人為干擾下的土壤病毒豐度和群落結構存在顯著差異（Williamson et al.，2005；Liao et al.，2022），土地利用改變影響病毒豐度和群落結構（Narr et al.，2017；Cornell et al.，2021），但對影響土壤病毒豐度和群落結構主要原因暫未可知，且大部分研究主要集中于單一土地利用類型，無法闡釋土壤病毒對城市化進程的響應以及在生物地球化學循環中發揮的重要作用。因此本章節重點總結研究報道的具有梯度性、代表性、與人類密切相關的土地棲息地（城市綠地、農田、自然環境）中的土壤病毒組成及其感染宿主（表1）；并重點總結了不同程度人為干擾（城市綠地、農田、自然環境）下的細菌病毒種類（土壤病毒的重要組成部分，表2），為進一步探索土地利用改變下土壤病毒的分布特征、碳、氮循環的微生物作用機制提供理論支持。

表1 不同程度人為干擾下土壤病毒分布情況Table 1 Summary of viruses in different land use modes

3.1 受人為活動影響的土壤

不同的土地利用方式代表著不同的人為實踐改造以及不同程度的人為干擾，城市綠地是城市生態系統的重要組成部分并且受到人為的修建和施肥澆灌與人類活動密切相關，農業用地長期受到單一的人為實踐管理受到的人為干擾相對城市較低，而自然環境遠離人為活動，受到的干擾程度最低。隨著城市化進程加快，城市綠地受到人為改造和施肥澆灌，其所構建的城市空間承受著高強度的人類活動干擾，高強度的人為活動向城市綠地中持續輸入有害物質，進而導致城市綠地生態功能下降并且威脅到人類健康。研究表明城市綠地微生物組和與人類健康密切相關（黃鑫榕等，2021），Flies et al.（2017）認為可以通過接觸城市綠地來改善人類健康，高度生物多樣化的城市綠地微生物組可以使人體微生物多樣化，進而調節免疫功能改善人類免疫功能缺陷的慢性疾病。然而，研究表明土壤中含有多種與人類疾病相關的病毒種類（表1），然而，目前對土壤病毒的研究主要集中于自然環境和農田生態系統，城市綠地土壤病毒組是被忽略的，對土壤病毒的感染能力以及細菌病毒與人類健康之間的關系知之甚少?，F階段研究表明城市綠地中的土壤細菌病毒主要以長尾噬菌體科、肌尾噬菌體科、短尾噬菌體科為主（表2），這與自然環境和農田生態系統相似（表2），但城市綠地中皰疹病毒科的豐度高于其他土地利用方式（Liao et al.，2022），這可能是由于城市綠地與人類活動聯系緊密。

表2 不同程度人為干擾下細菌病毒分類Table 2 Viruses in soils with different land-uses

農田生態系統受到人為耕作、施肥和灌溉，其輸出的農產品與人類健康密切相關，開展土壤病毒組在農田生態系統中的研究具有很高的實用性，因此土壤病毒的研究集中對不同農田生態系統土壤病毒分布特征進行探索。Han et al.（2017）通過高通量測序對中國6 種典型農業土壤病毒的研究表明雖然相同農田生態系統具有不同的病毒豐度，有趣的是六種農業土壤中土壤病毒物種組成大致相同，可能是由于施肥種類單一以及耕作手段相似導致，同時也說明土壤性質可能不是導致土壤病毒群落組成存在差異性的原因。植物健康與根際噬菌體關聯密切，研究表明土壤噬菌體對根際微生物之間的相互作用改變了根際微生物組的組成，進而改變植物的生長狀態；Wang et al.（2019）通過直接添加噬菌體混合液至番茄根部有效的防止了青枯病的發生并且增加了根際有益微生物的豐度。然而，目前對根際噬菌體的研究存在大量空白，我們對根際噬菌體知之甚少，并無研究直接表明根際噬菌體的直接生態功能。大量研究表明農田生態系統中的病毒主要是有尾噬菌體目（Caudovirales）、皰疹病毒科等，其中細菌病毒以有尾噬菌體目中的長尾噬菌體科、短尾噬菌體科和肌尾噬菌體科、微小噬菌體科和絲桿病毒為主（表2），這與自然環境土壤細菌病毒組成相似，這可能是由于農田生態系統是由自然生態系統通過人為實踐改造而來，并且農田生態系統土地改造方式單一，多為直接開墾和火燒后開墾。

3.2 未受人為活動影響的土壤

自然生態系統受到人為活動干擾的程度最低，也是植物覆蓋類型最為多樣的生態系統，研究表明覆蓋植物和土壤的物理化學性質可能會強烈影響病毒的豐度、繁殖策略、群落組成和進一步的病毒-宿主相互作用結構（Liang et al.，2021）。先前的研究主要集中于南極土壤、沙漠土壤（Hwang et al.，2021）等極端土壤環境中，這些環境無植物覆蓋且無人類活動干擾，可以有效探索土壤病毒在陸地生態系統中的獨特作用，Yu et al.（2018a，2018b）通過高通量測序技術對中國東部海陸交錯帶土壤病毒以及新疆獨山子泥火山土病毒的研究表明雖然不同自然環境土壤性質存在差異，但自然環境中土壤病毒存在相似性-主要以有尾噬菌體目、藻狀DNA 病毒科等為主；Williamson et al.（2005）通過透射電鏡以及熒光計數對4 種森林和兩種農田土壤病毒的多樣性和豐度進行表征發現森林土壤病毒的多樣性和豐度均高于農田，這可能是由于野生動物攜帶相對多樣的病毒及自然環境具有更高的生物多樣性以及農田生態系統的單一化作業導致。

4 展望

4.1 關注土壤病毒對全球氣候變化及人類活動的響應

全球氣候變化（比如溫度上升）及人為活動將造成土壤性質發生改變。其中的土壤病毒分布特征、多樣性如何變化？冰川退化過程中土壤病毒有何響應？隨著全球氣溫變高，凍土的解凍是否會釋放大量的土壤病毒（包括DNA 和RNA 病毒），對人類健康影響如何？厘清土壤病毒對全球氣候變化及人為活動的響應，揭示土壤病毒的健康風險，為環境及人類健康和社會可持續發展提供重要的理論依據。

4.2 揭示土壤病毒在生物地球化學循環過程中的功能

目前的研究主要采用宏基因組及宏病毒組挖掘病毒所攜帶的驅動元素循環的功能基因及輔助因子，推測病毒可能參與土壤碳、氮等元素循環，缺乏病毒添加的控制性實驗，不能從表型證明病毒在土壤生態系統中發揮的重要功能；我們認為后續的研究應該發展一些生物方法，獲得純的噬菌體或者其他病毒，從基因及表型的層面解析病毒在土壤中的作用。