原文献信息：D. Zhu, S. Liu, M. Sun, X. Yi, G. Duan, M. Ye, M.R. Gillings, Y. Zhu, Adaptive expression of phage auxiliary metabolic genes in paddy soils and their contribution toward global carbon sequestration, PNAS. 2024, 121 (49) e2419798121.研究意义：水稻土壤是全球碳固存的重要贡献者。然而，全球变化可能通过刺激土壤微生物分解有机碳，加剧碳循环与全球变化之间的正反馈，从而损害土壤健康并降低粮食产量。噬菌体促进宿主同化代谢在全球碳循环中起着关键作用。本研究表明，作为全球变化因子的重金属能够提升水稻土壤中噬菌体碳固定辅助代谢基因（AMGs）在宿主中的表达。这表明，在重金属胁迫下，噬菌体碳固定AMGs的适应性表达具有驱动全球碳固存的巨大潜力。该发现对于缓解全球变暖具有重要意义，尤其是在全球变化导致重金属污染日益加剧的背景下。摘要：具有间歇性淹水特征的栖息地（如水稻土壤）是全球碳库的重要组成部分。然而，噬菌体与宿主相互作用对水稻土壤碳生物地球化学循环的影响尚不明确。因此，本研究结合多组学方法、全球数据集和验证实验，探讨了噬菌体-宿主群落的相互作用及噬菌体对水稻土壤碳固存的潜在影响。研究结果表明，水稻土壤中的噬菌体携带着与碳固定相关的多样且丰富的辅助代谢基因（AMGs），这些基因占已鉴定AMGs的23.7%。对这些基因的蛋白结构和启动子进行了成功注释，进一步表明其在细菌宿主中的高表达潜力。此外，环境胁迫（如重金属污染）导致了水稻土壤噬菌体的遗传变异，并上调了碳固定AMGs的表达，这通过相关代谢产物的显著富集得到了验证（P < 0.05）。值得注意的是，研究发现感染碳固定宿主的溶原性噬菌体在重金属胁迫下增加了10.7%。此外，通过丝裂霉素C诱导的原位同位素标记实验发现，随着重金属浓度的增加，添加溶原性噬菌体的处理组13CO2排放量减少了约17.9%；相反，13C标记的微生物生物量碳含量平均增加了35.4%（与对照组相比）。这些结果表明，水稻土壤中的噬菌体显著影响了全球碳循环，尤其是在全球变化条件下。本研究加深了对噬菌体-宿主协作如何在变化环境中推动水稻土壤碳固存的理解。主要内容：水稻土壤噬菌体的组成及其碳循环功能本研究鉴定了12,039个噬菌体操作分类单元，并基于地理分布分为四组。噬菌体物种注释率存在区域差异，但仅少量序列与RefSeq数据库共享。南部地区水稻土壤中Gemycircular噬菌体相对丰度高，而北部以Viuna噬菌体为主。变形菌门是噬菌体最广泛的宿主，且噬菌体多样性无显著区域差异。噬菌体碳代谢功能主要集中在碳代谢和固存上。细菌群落中，变形菌门和放线菌门占主导，北部地区细菌alpha多样性显著低于南部。全球数据库验证噬菌体碳固存辅助代谢基因（AMGs）的广泛分布本研究探讨了全球间歇性淹水栖息地的噬菌体是否携带碳固存辅助代谢基因（AMGs）。通过筛选数据库和收集土壤样本，鉴定出34,213个AMGs，其中23.7%与碳固存相关。糖基转移酶是碳固存功能的关键部分，且在淹水栖息地中比例更高。不同糖基转移酶家族在全球不同地点有特定分布。中国水稻土壤中的碳相关AMGs具有表达潜力，且相近遗传关系的AMGs具有类似功能。驱动土壤噬菌体微小多样性的因素水稻土壤中噬菌体群落地理分布无相关性，但细菌组成有距离衰减效应。复合重金属对噬菌体功能结构影响显著，形成重金属污染聚类。高重金属胁迫土壤中，Fe2O3、MnO及重金属氧化物浓度上升。噬菌体遗传多样性大，污染组单核苷酸变异（SNVs）及pN/pS比值显著高于清洁组。重金属污染驱动的定向选择对噬菌体碳代谢相关基因产生显著影响。重金属刺激土壤噬菌体碳功能AMGs的表达研究发现，重金属污染增强稻田土壤中溶原性噬菌体作用，糖基转移酶基因相对丰度增加，噬菌体碳功能AMGs表达潜力高。污染组噬菌体序列中偏好性特定基因数量增加，GT2 AMGs为偏好性基因。代谢物相对丰度随重金属浓度增加而增加。重组噬菌体在重金属应力下滴度下降，但几丁质合成基因表达增加。原位同位素标记实验显示，溶原性噬菌体在低浓度重金属下减少CO2排放，高浓度下增加13C-MBC。裂解性噬菌体主导稻田土壤碳源利用，导致CO2排放增加，13C-MBC富集减少。文中图表：
