《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：Warming increases viral diversity and the relative abundance of virulent viruses in deep soils
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土壤病毒多样性及潜在活性对气候变暖的垂直分层响应研究。通过整合短读与长读 metagenomics 和 viromics 技术在高原草甸开展土壤 profile 加热实验，发现深层土壤病毒多样性显著增加，与宿主多样性变化同步，变暖可能通过缓解养分限制增强病毒致病性。
吕一清|范晓敏|范向宇|秦文宽|王旭东|孙鑫|朱彪|吴林伟
北京大学城市与环境科学学院生态研究所及植被结构、功能与建設国家重点实验室（VegLab），中国北京
摘要
病毒是土壤群落中种类繁多且功能重要的成员，但它们对气候变暖的响应机制仍不甚明了，尤其是在较深的土壤层中。在这项研究中，我们在高山草地上进行了一项全土壤剖面升温实验（表层1米土壤温度比环境温度高出约4°C），以探讨升温如何影响不同深度土壤中的病毒多样性和潜在活性。通过整合短读长读宏基因组学与病毒组学技术，我们发现了许多新的病毒种类。此外，研究结果表明，在升温5年后，表层土壤中的病毒多样性下降，而深层土壤中的病毒多样性增加，这反映了宿主多样性的变化趋势。升温可能由于缓解了养分限制而增加了致病性病毒的相对丰度。本研究揭示了土壤病毒对气候变暖的深度依赖性响应，表明在气候变暖的背景下，深层土壤可能成为病毒多样性和活性的热点区域。
引言
土壤病毒数量庞大且种类多样，在调节生态系统功能中起着关键作用。每克土壤中可含有10^7至10^9个类似病毒的颗粒（Williamson等人，2017年），约占全球病毒总数的10%（Cobián Güemes等人，2016年）。高达46%的土壤细菌死亡是由病毒裂解引起的（Nicolas等人，2023年），这种自上而下的控制机制不仅改变了微生物群落结构，还影响了生态系统的生物地球化学循环（Allen等人，2010年；Kuzyakov和Mason-Jones，2018年）。病毒感染后，裂解产物会被重新释放回土壤中，而不是流向更高营养级，这一过程被称为“病毒分流”（Wilhelm和Suttle，1999年），从而显著重新分配了土壤中的有机碳和养分（Williamson等人，2017年；Wang等人，2024年）。此外，病毒还能通过温和感染和微生物间的基因转移来调节微生物生理，并通过编码辅助代谢基因（AMGs）直接影响土壤生物地球化学过程（Wu等人，2021b；Zheng等人，2022年；Liang等人，2024a）。最近的宏基因组学研究，尤其是以病毒为中心的病毒组学研究，揭示了土壤病毒极高的多样性和显著的空间或时间动态变化（Santos-Medellin等人，2021年；Nicolas等人，2023年；Graham等人，2024年；Ma等人，2024年）。然而，关于土壤病毒多样性和活性对人为全球环境变化（如气候变暖）的响应机制，尤其是在深层土壤中，仍知之甚少。
气候变暖显著影响土壤微生物的多样性和相关功能（Walker等人，2018年；Rillig等人，2019年；Wu等人，2022年）。尽管目前大多数研究仅关注原核生物和低等真核生物，但土壤病毒对气候变暖的响应机制仍不清楚。尽管科学界长期以来一直关注土壤病毒在不同生命周期策略之间的转换能力，但气候变暖对其转换过程（特别是溶原性和裂解性周期之间的转换）的具体影响仍不明确。基于培养的研究表明，在较高温度下，病毒的潜伏期缩短，爆发规模增加（Zachary，1978年；Müller-Merbach等人，2007年），这暗示在升温条件下病毒的裂解活性可能会增强（Chu等人，2011年）。相反，高温也可能通过增加蛋白酶活性来抑制病毒复制，从而破坏病毒衣壳，减少活性病毒颗粒的丰度（Brié等人，2016年；V?r?s等人，2018年）。然而，这些基于培养的研究结果对于实际土壤环境中的情况是否具有普遍性仍存在疑问，因为实验室培养条件无法模拟自然环境的复杂性，且模型病毒无法代表土壤中的高病毒多样性。一些研究通过分析土壤宏基因组中的病毒序列发现，在实际升温条件下，病毒-宿主相互作用可能会增强（Wu等人，2020年），表明病毒裂解活性可能增加；或者病毒群落结构可能不会发生变化（Ji等人，2023年）。此外，较干燥的土壤中溶原性病毒的比例更高，病毒活性较低（Wu等人，2021a），这表明升温导致的土壤水分减少可能有利于溶原性生活方式的传播。这种不一致性可能是由于全群落宏基因组学对病毒覆盖范围有限所致，而最近发展的土壤病毒组学技术（即基于病毒大小的宏基因组学）可能有助于克服这一问题。
土壤具有高度复杂性和异质性（Young和Crawford，2004年），深层土壤（>30厘米）含有超过一半的土壤有机碳储量（Jackson等人，2017年）。地球系统模型预测表层和深层土壤的升温速率相似（Soong等人，2020年），但后者受到的关注较少。鉴于病毒对其宿主的这种自上而下的控制作用会显著影响细胞死亡和土壤矿化过程（Wei等人，2021年；Sokol等人，2022年），因此了解升温对病毒多样性以及溶原性和裂解性生活方式的影响对于更好地预测土壤碳动态至关重要。然而，这些影响至今尚未得到充分研究。
为了解决这些问题，我们在青藏高原的高山草地上进行了一项全土壤剖面升温实验。实验研究了整个土壤剖面（0至100厘米）在5年（2018-2023年）内升温4°C的响应情况。为克服土壤中病毒生物量低的挑战，采用了多重置换扩增（MDA）技术来获取足够的DNA用于测序。尽管MDA可能引入随机性和序列依赖性偏差（Yilmaz等人，2010年），但在核酸浓度较低的土壤病毒组学研究中，它仍然是一个不可或缺的工具（Liang等人，2019年；Chen等人，2021年；Lin等人，2025年）。为了保持研究的科学严谨性，我们对所有样本的处理步骤进行了标准化，并在比较框架内解释了基于丰度的指标，优先考虑不同处理组之间的相对变化而非绝对定量。通过结合短读长读宏基因组学和病毒组学技术，我们探讨了以下主要问题：1）实验升温是否以及如何影响土壤病毒多样性和生活方式；2）这些效应是否随土壤深度而变化；3）驱动这些病毒响应的潜在机制及其在不同土壤深度上的差异。鉴于病毒复制依赖于宿主的可用性，我们假设病毒多样性的变化方式与宿主多样性的变化类似。此外，我们假设升温会通过改变环境因素（如土壤温度和湿度）来影响病毒的裂解活性，从而改变溶原性和裂解性病毒生命周期之间的平衡。
研究地点和采样
本研究在中国青海省的海北高山草原生态系统国家野外研究站使用全土壤剖面升温实验平台进行（Zhang等人，2023年）。实验站点包括四个区块，每个区块包含一个对照区和一个升温区，详细实验设置已在先前研究中描述（Yin等人，2023年）。简而言之，在升温区中，采用了三维加热系统。
土壤病毒组的多样性
为了确定土壤DNA病毒的多样性，我们对32个土壤样本的总体群落DNA和病毒组DNA进行了测序。共获得了1.1太字节（Tb）的数据，其中病毒组学数据平均每个样本为10.8 ± 0.6 Gb，短读宏基因组学数据为21.6 ± 1.0 Gb，长读宏基因组学数据为12.9 ± 1.3 Gb（详见方法部分）。我们从宏基因组中鉴定出1,047个病毒contig，从病毒组中鉴定出90,013个病毒contig。
讨论
土壤是一个高度复杂的微生物栖息地，支持着数千万种微生物种群，生物和非生物因素在塑造微生物群落结构中起着关键作用（Yuan等人，2021年；Romdhane等人，2022年；Wu等人，2022年）。随着全球气候变化的加速，了解其对土壤病毒群落及其与宿主相互作用的影响已成为生态学研究中的关键问题。在这项研究中，我们应用了病毒组学和宏基因组学技术
CRediT作者贡献声明
秦文宽：研究工作。
范向宇：方法学研究。
范晓敏：研究工作。
吕一清：初稿撰写、正式分析、数据管理。
吴林伟：撰写、审稿与编辑、项目监督。
朱彪：撰写、审稿与编辑、资金获取。
孙鑫：方法学研究。
王旭东：研究工作
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
数据可用性
原始宏基因组学、病毒组学数据以及18S rRNA基因V4区域的扩增子序列已分别存储在National Center for Biotechnology Information（NCBI）中，项目编号分别为PRJNA1171364、PRJNA1171370和PRJNA1227180。vOTU序列已上传至Figshare，可通过http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.27619875访问。详细样本信息可在Figshare上找到（10.6084/m9.figshare.30937985）。支持代码包括我们的病毒组学数据
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢前实验室成员在维护实验站点方面所提供的帮助。本研究得到了
国家重点研发计划（2022YFF0801902和2023YFF0805601）对朱彪和吴林伟的支持，以及
国家自然科学基金对吴林伟（项目编号32371724和32241034）和朱彪（项目编号32425038）的支持。
