随着多组技术的进步，环境中病毒生态功能被逐渐认识。尽管病毒携带氮元素循环的辅助代谢基因（Auxiliary metabolism genes，AMG），然而，尚无实验证据表明病毒参与土壤氮循环。为此，本文利用宏基因组-SIP技术研究活性病毒在土壤氮循环中的作用。
导 读
病毒是地球上最丰富的生物实体，但其在土壤生态系统中的作用仍不明确。尽管在土壤病毒组中发现了反硝化基因（norD和norQ），但迄今为止，尚无实验证据表明病毒参与土壤氮循环。为此，本研究联合15N-稳定同位素示踪（SIP）与宏基因组，表征了土壤活性病毒（具有感染宿主活性）侵染固氮细菌特征。通过观测细菌在土壤培养过程中对15N的吸收情况，揭示了15N在不同营养水平之间的迁移，为病毒参与氮循环提供了实验证据。
图1 图文摘要
为了探究土壤病毒在调控氮素循环中的作用，本研究首次联合15N-稳定同位素示踪（SIP）与宏基因组，表征了具有感染宿主活性的土壤活性病毒与固氮细菌之间的关系。 实验处理设置如下：i) 处理组：10 g土壤样品装在60 ml血清瓶中，顶空为50 ml O2和15N2; ii)对照组：只将14N2代替15N2， 其他条件与处理组相同。每个处理重复三次，孵育90天（30℃），在实验开始后的第0、30、60和90天取样分析（图2A）。
图2 宏基因组-SIP微宇宙实验设计示意图及15N同位素丰度和微生物多样性差异
在同位素标记孵育过程中，土壤中15N同位素丰度在孵育30天后显著高于对照组，在孵育90天后差异达到最大值（图2B），表明土壤微生物参与了N2固定。将15N2和14N2处理组的DNA样本经过超速离心分层后进行宏基因组测序，研究参与N循环的活性病毒及其宿主。基于宏基因组测序，共获得了609个大于5 kb的病毒基因组（vOTUs）。通过比较15N2不同组分之间的病毒群落，发现重组分的病毒和细菌Richness和群落组成（p< 0.05）低于轻组分（图2C），表明15N标记病毒和细菌只是少部分。基于15N2和14N2处理的线性判别分析，发现65个vOTU只富集于15N2标记的重组分处理，表明这些病毒可能参与了氮素转化（图3A）。
基于15N宏基因组-SIP，共鉴定到10个具有氮代谢潜力的细菌MAGs，其中3个编码固氮基因nifH（图3B）。基于CRISPR-spacer病毒宿主预测，3个氮代谢MAGs与4种病毒存在潜在宿主关系。其中MAGs （bin 23和bin 46）编码亚硝酸盐还原酶基因（nirB和nirD）, 鉴定到MAGs被两个烈性病毒侵染。此外，溶解病毒vOTU1具有感染固氮细菌bin 6。同时，15N标记的病毒与宿主丰度在同位素重层具有一致变化关系，表明病毒与宿主之间具有紧密的动态偶联（图4A）。此外，通过DRAM-v注释病毒辅助代谢基因（AMGs）。在vOTUs中发现了两个参与羟胺代谢的羟胺脱氢酶AMGs（hao，图4B-C）。表明，病毒可以帮助氨氧化细菌将羟胺转化为亚硝酸盐的潜力，减轻因羟胺对宿主的毒害作用。上述结果表明，病毒通过侵染氮转化细菌和携带AMGs参与氮循环过程。
图3 宏基因组-SIP揭示氮循环中活性病毒和MAGs的丰度变化
综上所述，宏基因组结合DNA-SIP技术为病毒通过自上而下调控氮循环提供了实验证据：活性病毒裂解固定细菌和编码氮循环的辅助代谢基因参与土壤氮转化。本研究表明活性固氮菌固定N同位素可以通过病毒裂解扩散到病毒基因组中，为研究病毒在土壤中氮周转提供了重要实验证据。
图4 土壤病毒参与氮循环的实验证据
总结与展望
本研究结合DNA-SIP和宏基因组技术提供了病毒参与氮循环实验证据，揭示了病毒在土壤氮循环中的潜在作用。未来研究可进一步探讨不同环境条件下病毒与氮循环的关系，尤其是土壤类型和气候变化对病毒功能的影响。此外，利用高通量技术，可能识别更多病毒-宿主互作关系，并分析病毒如何通过代谢基因助力细菌氮转化。对病毒功能的深入理解或能开发新型微生物群落调控策略，优化土壤氮管理，提升农业生态系统可持续性。
责任编辑
孙 晶 中国石油大学（北京）
杨 阳 中国科学院地球环境研究所
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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-geo.2024.100101
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第2卷第4期以Report发表的“Deciphering the hidden role of soil viruses in nitrogen cycling revealed by metagenomic stable isotope probing” (投稿: 2024-04-23；接收: 2024-11-06；在线刊出: 2024-11-26)。
DOI:10.59717/j.xinn-geo.2024.100101
引用格式：Liu C., Liao H., Gao T., et al. (2024). Deciphering the hidden role of soil viruses in nitrogen cycling revealed by metagenomic stable isotope probing. The Innovation Geoscience 2:100101.
作者简介
廖汉鹏，博士，教授，博士生导师。国家级万人青年拔尖人才，福建省杰出青年基金获得者，福建省雏鹰计划青年拔尖人才，福建省高层次B类人才。主要从事环境健康与固废资源化研究，以一作或通讯（含共同）发表学术论文20余篇，包括：Nat. Commun. (2篇) 、Mol. Biol. Evol、ISME J (2篇)、Environ. Sci. Technol、Environ. Microbiol、Applied. Environ. Microbiol.等；主持国家自然科学基金项目3项（面上2项，青年1项），国家重点研发计划子课题2项；入选中国植物营养与肥料学会理事，福建省畜禽废弃物资源化利用技术创新联盟专家。
Web: https://hjswdhx.fafu.edu.cn/1b/42/c12133a334658/page.htm
周顺桂，福建农林大学副校长、特聘教授（二级），博士生导师。国家杰青、国家万人计划创新领军人才。长期从事土壤生物电化学、有机固废生态循环利用基础理论与新技术研究。主持国家自然科学基金10项（包括杰青、优青、重大研究计划、联合基金重点、面上及青年项目）、国家863、国家科技支撑计划课题、国家重点研发计划课题等重要科研项目30余项。以第一或通讯作者发表 SCI 论文150余篇（其中Nature Water、Science Advances、Nature Communications、ISME Journal、Angewandte Chemie、Nano Energy、ES&T等IF5-years>10.0论文80余篇），论文SCI他引超15000次，个人H指数75，自2020年起连续入选“中国高被引学者”榜单。获授权国家发明专利80余件、美国发明专利3件。
Web: https://hjswdhx.fafu.edu.cn/12127/list.htm
