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“病毒碳泵”：新研究揭示病毒如何驱动土壤碳积累
发布时间：
2026-05-14
本研究通过宏基因组分析发现，在不同碳（C）供应条件下，病毒对土壤碳循环具有重要调节作用：在低碳供应（秸秆移除）土壤中，病毒以溶原性为主（21%为溶原病毒），富含与碳降解相关的辅助代谢基因（AMGs）。
作者：Mingfeng Liu, Guixiang Zhou, Congzhi Zhang, Lin Chen, Donghao Ma, Lijun Zhang,Chunhua Jia, Ling Ma, and Jiabao Zhang
期刊：Advanced Science
时间：2025.5.23
影响因子：14.1
DOI： https://doi.org/10.1002/advs.202506449
文章思路
摘要
本研究通过宏基因组分析发现，在不同碳（C）供应条件下，病毒对土壤碳循环具有重要调节作用：在低碳供应（秸秆移除）土壤中，病毒以溶原性为主（21%为溶原病毒），富含与碳降解相关的辅助代谢基因（AMGs）。在高碳供应（秸秆还田）土壤中，病毒多为裂解型（93%），与宿主微生物的共生关系更强，携带与碳固定相关的病毒AMGs和宿主碳循环功能基因。病毒的加入提高了微生物的代谢效率，并促进难降解碳的积累。裂解病毒通过释放营养物质和形成微生物残体（necromass），加速有机碳的周转。病毒通过调节宿主代谢，在碳资源变化下成为影响碳封存和循环的关键生态因子。
主要结果
1. 土壤有机碳（SOC）及其组分
长期试验表明，秸秆还田和氮肥施用显著提高了土壤有机碳及其各组分含量：在施加秸秆和氮肥的处理中，SOC、微生物源碳（MBC/MNC）、可颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）均明显增加（p < 0.05）。
2. 病毒与细菌群落及SOC组分之间的关系
通过宏基因组与病毒组分析，共识别出24,789个病毒contigs，主要为Microviridae、Siphoviridae等。秸秆还田（T2和T4）显著提高了Microviridae和Circoviridae的丰度，并改变了病毒群落的α和β多样性。细菌群落中，Proteobacteria和Acidobacteria在还田处理下也显著增加，β多样性发生变化。Mantel分析显示，病毒与细菌群落多样性均与多种SOC组分（如DOC、MBC、Ca-OC、MAOC等）显著相关，说明SOC组成是病毒群落结构差异的重要驱动因素。
3. 病毒群落的生活方式
通过分析病毒contigs中的溶原性标志基因（如整合酶、转座酶等），共识别出8106个溶原性病毒，其余为推测的裂解型病毒。结果显示，裂解型病毒在所有处理中占主导（占78.8%–93.2%），秸秆还田处理（T2和T4）中溶原性病毒的丰度显著低于秸秆移除处理（T1和T3）。裂解型病毒种类更丰富，Microviridae为最主要的类群。裂解型病毒的丰度与MBC、MNC、MAOC和SUVA254显著正相关（p < 0.05），表明病毒生活方式可能是影响土壤碳固存的重要因素。
4. 潜在的病毒–宿主互作
共预测出1807条病毒–宿主关联，涉及409个病毒contigs与824个宿主contigs。多数病毒归属Siphoviridae和Myoviridae，宿主主要为Proteobacteria、Acidobacteria和Actinobacteria。秸秆还田处理（T2和T4）中病毒–宿主互作关系显著增多，且宿主多样性增强。功能注释显示，这些宿主在秸秆还田下碳代谢能力增强，携带更多与碳循环相关的功能基因，表明病毒–宿主互作可能促进土壤碳转化与固存。
5. 病毒辅助代谢基因（AMGs）
共鉴定出4403个病毒AMGs，涵盖264个KEGG功能类别，主要涉及碳水化合物代谢、糖苷合成、辅酶与维生素代谢以及能量代谢等过程。其中，与碳循环相关的AMGs在不同处理间表现出显著差异：T4中碳固定类AMGs（如rbcL、tktA）最为丰富（p < 0.05），而T1中碳降解类AMGs（如gltA、aceF）更多（p < 0.01）。在CAZymes分析中，共识别出39个AMGs，涵盖多种碳活性酶类。T1中GHs类酶显著富集（p < 0.01），而T3和T4中GTs类AMGs显著增加（p < 0.05），有助于多糖合成。此外，在5个完整病毒基因组中发现了这些AMGs，其基因结构及上下游区域均支持其在病毒中的稳定存在。结构预测结果（Phyre2）进一步验证了其功能表达的可能性。综上，病毒通过携带并表达与碳循环相关的AMGs，可能在调控土壤碳动态中发挥重要作用。
6. 病毒添加对土壤有机碳的影响
通过微宇宙实验评估病毒添加对微生物群落和碳循环的影响。结果显示，在T1处理中，前7天无病毒处理的CO₂排放高于有病毒处理，而在T2、T3和T4中则相反。7天后，各处理间CO₂排放趋于稳定。最终，T1中无病毒组的CO₂累计排放量显著高于有病毒组（p < 0.05），而T2–T4中则相反（p < 0.05）。
病毒添加普遍提高了DOC、SUVA254和MBC水平，尤其在T4中显著上升（p < 0.05）。同时，病毒显著降低了T1和T3中微生物代谢商（qCO₂），表明代谢效率提升，而T2和T4中无显著变化。
此外，病毒添加增强了与糖和几丁质降解相关的酶活性（如β-葡糖苷酶和N-乙酰葡糖苷酶），随机森林分析确定SUVA254、DOC、BG和NAG为qCO₂变化的关键驱动因子。综上，病毒可通过影响微生物代谢和酶活性，促进可溶性有机碳的积累。
结论
本研究表明，病毒裂解和病毒–宿主互作在潮土碳循环中发挥关键作用。高碳条件下，裂解型病毒占主导，促进微生物碳泵和稳定碳的积累；低碳条件下，溶原性病毒增强与宿主协同，提升微生物在贫养环境下的代谢效率。此外，病毒携带的辅助代谢基因（AMGs）参与碳固定和降解，有助于增强土壤碳储存。调控病毒活动有望成为提升土壤碳固存和肥力的有效手段。
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