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原文信息   原文标题：Soil viral diversity, ecology and climate change 发表期刊：Nature Reviews Microbiology 影响因子：78.297 发表日期：2022.11.09 第一作者：Janet K. Jansson & Ruonan Wu 第一单位：美国华盛顿州里奇兰西北太平洋国家实验室生物科学部 通讯作者：Janet K. Jansson 原文链接： https:///10.1038/s41579-022-00811-z 编 译：王泽霖 云南大学国际河流与生态安全研究院 摘要 土壤病毒种类繁多，在调节宿主动态和土壤生态方面具有重要作用。气候变化正在给土壤生态系统以及定殖其中的病毒等生命形式带来了前所未有的变化。本综述探讨了目前对土壤病毒多样性和生态学的理解，并讨论了长期干旱、洪涝及降水模式改变等气候变化是如何影响土壤病毒的。最后，本综述对气候变化将如何影响土壤病毒生态的研究进行了展望。 引言 病毒是迄今为止地球上数量最多的生物实体，全球陆地和海洋环境中保守估计有1030种病毒。地球上大多数细胞微生物和大型生物都有相关的病毒。病毒因其重要的生态作用而日益被人们所认识。杀死胜者假说认为病毒通过靶向和裂解优势种群来调节宿主种群密度。它们还通过宿主裂解（一种被称为“病毒分流”的过程）向土壤有机碳库提供宿主衍生的碳。病毒与宿主之间的这种复杂相互作用对土壤生态和海洋生态都至关重要。然而，与海洋病毒相比，土壤病毒在很大程度上仍未被发现。这种认知空缺是理解土壤病毒对土壤生态系统重要性的关键。 最近的研究表明，气候变化等环境条件的变化会显著影响土壤病毒。例如，土壤病毒的多度受土地利用和温度等几个环境变量的影响。随之而来的潜在生态影响包括土壤养分循环的变化、宿主动态的调节和病原体的出现。因此，气候变化对土壤病毒的影响可能会导致土壤生态的根本变化，其影响目前尚不清楚。 土壤病毒与土壤环境 土壤病毒至少和宿主一样丰富，而且可能更丰富，据估计每克土壤中含有107-1010个病毒。据估计，土壤中感染病毒的细胞比例高于水生系统，这意味着土壤病毒在自上而下控制宿主方面发挥着重要作用。尽管土壤病毒非常丰富，但由于若干固有的技术原因，它们比水生系统中的病毒更难研究，这些困难主要体现在土壤基质的物理复杂性和异质性、病毒在土壤生境中表现出的特异性、现有数据库中缺乏已知的土壤病毒基因及其同源物、检测不同生命周期病毒的经验方法的局限性，以及检测DNA和RNA病毒的现有生物信息学方法的局限（框1）。 框1 当前土壤病毒研究面临的挑战 土壤是地球上最多样的微生物栖息地之一，包含最高多度和多样性的病毒。然而，与水生病毒相比，由于土壤基质的异质性，土壤病毒的研究具有挑战性。1970年代至1990年代的几项研究表明，许多土壤病毒吸附在土壤矿物质和土壤有机质上，因此变得不可移动，难以计数。因此，开发了不同的病毒提取方法(例如使用不同的缓冲液)来选择性地从土壤中提取病毒，以便它们可以通过显微镜进行计数。直接计数法取决于土壤和病毒颗粒在提取液中的有效分散和分离，以及所用计数方法的灵敏度(例如，透射电子显微镜、表面荧光显微镜或流式细胞仪)。由于土壤病毒及其宿主的高度遗传多样性，核酸序列数据中的病毒检测也被证明是具有挑战性的。此外，土壤病毒序列的筛选受到缺乏土壤病毒通用标记的阻碍。因此，尽管越来越多的努力将培养的和未培养的病毒基因组存放在公共数据库中，但土壤病毒目前仍然取样不足或测序不足。已经开发并测试了从土壤颗粒及其微生物宿主中富集土壤病毒的不同方法，以提高测序前的病毒回收率。这些方法主要检测游离病毒颗粒，可能会忽略溶原性病毒。巨型病毒也可能被排除在外，因为它们与在大小分级过程中被去除的微生物细胞大小相似。相比之下，批量宏基因组学方法包括溶原菌、游离病毒和巨型病毒，但以覆盖范围为代价，并且在很大程度上依赖易出错的启发式生物信息学工具和技术。 另一个挑战在于检测RNA病毒。许多土壤病毒是在宏基因组中检测不到的RNA病毒。RNA比DNA更难从土壤中回收，也更容易降解。因此，RNA的产量有时不足以进行测序。使用宏转录组检测RNA病毒的另一个限制是覆盖率。近90%的宏转录组由核糖体RNA转录物组成，其余主要来自非病毒微生物，因为它们的编码基因更大。因此，结合靶向测序鉴定土壤中的病毒宿主和载体可能会增加从宏转录组检测RNA病毒的分辨率。 土壤病毒类型 双链DNA病毒 我们利用最近沉积的土壤宏基因组来筛选病毒序列，以总结目前已知的土壤dsDNA病毒多样性。与土壤dsDNA病毒相对应的序列是从可公开访问的IMG/VRv3数据中编译的，该数据库包含最大的土壤病毒序列库。只有大于10kb的高质量病毒群加上完整的病毒基因组包含在该汇编中（图1a，b）。超过三分之一的病毒序列未分类，这突出了目前土壤病毒研究不足的事实（图1a）。其余分类的土壤DNA病毒被分为六个病毒科（Autographiridae、Hereleviridae、Myoviridae、Podoviridae，Siphoviridae和Tectiviridae）。这些家族代表土壤中主要感染细菌（噬菌体）的dsDNA病毒（图1b）。这些土壤dsDNA病毒具有不同的形态和不同的病毒粒大小（图1e，红色图标）。属于Myoviridae、Podoviridae和Siphoviridae的有尾噬菌体种类最多，它们可能感染多个宿主（图1b）。这些噬菌体在土壤中很常见，在统计学上与细菌多样性显著正相关。此外，一些DNA病毒具有古菌（Euryarschaota）和真核（Opisthokonta和Viridiplantae）宿主。因此，生命的所有三个领域目前都是土壤dsDNA病毒的潜在宿主。 最近，国际病毒分类委员会重新评估了dsDNA病毒的分类，并建议取消Myoviridae, Podoviridae和Siphoviridae，因为它们以前是根据形态学命名的，但它们不是单系病毒。因此，建议将包含这些科的尾孢目归入纲一级。
图1. 土壤DNA和RNA病毒及其已知宿主的分类组成。a、 土壤DNA病毒的分类组成（科分配，内圈；类分配，外圈）。DNA病毒群沉积在IMG/VRv3中，栖息地为陆地；土壤和陆地；使用以下标准提取和筛选“农田”：长度大于10kb或通过checkV分类为具有高至中等置信度的完整基因组；VirSorter进行的类别1和类别2分类；和P≥0.9和P< 0.05。合格病毒群的分类分配是从IMG/VR数据获得的。带星号的病毒家族名称是2021之前发布的分类名称，在2021国际病毒分类委员会（ICTV）分类发布时建议废除。b.a.部分中检测到了各自双链DNA（dsDNA）病毒的已知宿主。从病毒宿主数据库中收集检测到的DNA病毒家族的宿主谱系（门或超门）。对于已知感染多个宿主的病毒家族，病毒-宿主配对的计数通过分配的不同宿主的数量进行归一化。c、 土壤RNA病毒的分类组成。在数据集VR1507中的RNA病毒群中，筛选了来自土壤的RNA病毒（栖息地为“陆地；土壤”）。在门水平中从数据库（RiboV1.4_Info.tsv）中检索合格RNA病毒群的分类分配。d，c部分检测到的相应RNA病毒的已知宿主。使用与DNA病毒相同的方法获得RNA病毒家族的宿主信息。e、dsDNA病毒（红色）和RNA病毒（蓝色）的结构示意图，括号中显示了近似大小。请注意，病毒不是按比例绘制的。FCB是一个超级细菌门，由纤维杆菌门、氯生物门和拟杆菌门组成。PVC是由Planctomycetota、Verrucomicrobiota和Chlamydiota组成的细菌超门。 单链DNA病毒 与dsDNA病毒相比，单链DNA (ssDNA)病毒在土壤中更难研究。这种差异很大程度上是由于最初针对dsDNA优化的DNA测序方法，因此排除了ssDNA病毒(框1)。此外，用于土壤DNA病毒分类的严格标准(例如，只有大于10 kb的序列)不利于较小的ssDNA病毒。因此，我们目前对土壤中ssDNA病毒的了解仍然有限。土壤中ssDNA病毒与dsDNA病毒的相对数量一直存在争议。例如，ssDNA病毒在稻田土壤、农业土壤、草地土壤和其他土壤中的病毒体(从土壤中提取的病毒部分)中占主导地位；然而，ssDNA病毒仅占从解冻的永久冻土中提取的病毒体的4%。这些差异可能是由于不同研究中采用的方法存在偏差。例如，据报道多重置换扩增优先扩增ssDNA，因此偏向于ssDNA病毒。或者，这些差异可能反映了不同土壤类型中不同的病毒群落。因此，需要一致的和多种定量方法来进一步评估土壤中ssDNA病毒和dsDNA病毒的相对量。 虽然ssDNA病毒的相对多度在不同的土壤样本中有所不同，但有一些类型的ssDNA病毒是常见的，包括微小噬菌体科、环状病毒科和类双生病毒科的成员。微小噬菌体科是感染肠杆菌的ssDNA噬菌体家族。剩余的ssDNA病毒家族包含已知感染真核生物的病毒。ssDNA病毒也因其高突变率而闻名，这不仅有助于ssDNA病毒群落的高度多样化，也有助于病原体的出现。土壤中的ssDNA植物病原体的例子包括在番茄、玉米、甘蔗和蚕豆中引起疾病的病原体。需要进一步的工作来更好地了解土壤中ssDNA病毒的多样性及其生态作用。 RNA病毒 土壤RNA病毒的发现落后于dsDNA病毒，因为与DNA相比，从土壤中提取RNA(框1)存在公认的困难。从海水中提取的病毒中的RNA和DNA的比较显示，RNA病毒多度与DNA病毒相当，甚至更高，但这还没有对土壤进行计算。最近，随着RNA提取和测序方法的改进，研究开始揭示从土壤中提取的RNA中RNA病毒的基因组多样性。 对宏转录组数据的筛选揭示了草地土壤中含有丰富的RNA噬菌体。迄今为止，在草原土壤中筛选出的最多样的RNA病毒是Leviviridae中的噬菌体。有趣的是，还不知道Leviviridae的成员具有溶原性生命周期。因此，它们的流行表明它们在整个裂解生命周期中通过感染和裂解主动控制其目标宿主群体。这一发现很有趣，因为草地生态系统的生态在很大程度上是由植物-土壤反馈构成的，而处于竞争的地上植物物种之间的共存是由土壤中病原体的特异性和强度决定的。相对于种间竞争，病原体增加了种内竞争的相对强度，从而降低了植物群落中竞争排斥的风险。如果Leviviridae的成员不成比例地存在，并且是强制性的裂解性噬菌体，那么它们很可能对植物-土壤反馈的相对强度有直接的调节作用(取决于它们的宿主范围以及它们最常见的宿主本身是否是通用共生体)。此外，已经在土壤宏转录体中检测到几种真核RNA病毒，它们具有潜在的真菌、昆虫和植物宿主。 在不同位置的草原发现了RNA病毒的一些差异。例如，在真核宿主中具有广泛预测宿主范围的呼肠孤病毒科中的病毒在美国堪萨斯州最丰富，但是在加利福尼亚草原土壤中不存在。相比之下，在另一项研究中，最丰富的RNA病毒是纳米病毒科中的有丝分裂病毒。这种差异可能是由于不同宿主的环境选择，这种选择渗透到病毒群落中。通过使用不同的方法(对测序前从土壤中富集的病毒样颗粒(即RNA病毒体)进行RNA测序)，发现不同的草原土壤以正链单链RNA (ssRNA)病毒为主，其中豆状病毒门最丰富(~40%)，检测到很少的dsRNA病毒(例如Duplornaviricota)和负链ssRNA病毒(例如Negarnaviricota)。不同地区草原RNA病毒群落的这些差异可能是由于以前未认识到的土壤RNA病毒群落的高度多样性，以及所用方法的差异。例如，对于RNA病毒体方法，无衣壳RNA病毒在从土壤中提取的过程中容易溶解，因此它们通常被排除在下游分析之外。因此，在比较不同的数据集时，考虑用于检测RNA病毒的方法是很重要的。 最近对环境RNA病毒的一项全球调查，基于对存放在IMG/M数据库(2020年1月)的5150个宏转录组数据集的筛选，导致已鉴定的RNA病毒体扩大了五倍。从该数据库中，我们提取了来自陆地环境的RNA病毒序列的代表及其指定的分类学(图1c)。因为已知所有RNA病毒都具有依赖RNA的RNA聚合酶，所以这是RNA病毒的一个有用的系统发育标记。使用RNA依赖的RNA聚合酶系统发育标记，大多数土壤RNA病毒可以被分类，只有10%未被分类。与DNA病毒类似，这些土壤RNA病毒在形态上不同，但它们通常比DNA病毒小(图1e，蓝色图标)。Lenarviricota门是全球土壤RNA病毒体中最具多样性的一个门，包含在草原土壤中最具多样性的Leviviridae科。Pisuviricota和Kitrinoviricota也是土壤中高度多样化的RNA病毒门(图1d)。Lenarviricota和Kitrinoviricota的成员和Pisuviricota的一些成员是正义ssRNA病毒，而Negarnaviricota的成员是负义ssRNA病毒，其余的是双链RNA病毒。根据我们的比较，正义ssRNA病毒是全球调查中包括的最多样化的病毒。尽管检测到的RNA病毒大部分被分类，但是它们的宿主仍然是未知的，已知的宿主主要是真菌、后生动物和植物(图1d)。 土壤病毒的生态效应 宿主种群的调节 病毒与其宿主之间的捕食者-被捕食者关系对于控制宿主种群非常重要(图2)。在裂解(毒性)阶段，病毒侵入、复制并最终杀死它们的宿主。因此，在土壤环境中，噬菌体是细菌宿主动态的关键调节者。将病毒体添加回其原始宿主土壤中，导致优势微生物群落成员的相对多度大幅降低，这表明噬菌体“杀死胜利者”并抑制了目标宿主的生长。这为稀有细菌群体提供了生长和占据空出的生态位的机会。活的和高压灭菌的噬菌体提取物的比较显示，只有活的噬菌体对土壤微生物群的组成和多样性有影响。将病毒体相互移植到两种天然和灭菌的土壤中表明，土壤细菌群落更容易受到非天然噬菌体的影响。据推测，细菌宿主更容易受到“外来”噬菌体的攻击。病毒对宿主的裂解可能会对生态系统的功能产生潜在的影响。例如，由于固氮肠杆菌的病毒裂解，稻田土壤中的固氮作用降低。
图2. 土壤病毒生态效应和生活方式的不同方面。不同的土壤病毒有不同的宿主：例如，噬菌体（噬菌体）感染细菌，一些巨型病毒感染原生生物，一些RNA病毒可以感染真菌（最常见的是通过菌丝融合）。在噬菌体的情况下，宿主可能由于病毒感染而被裂解，将细胞物质释放到环境中，这些物质可以通过病毒分流器被土壤微生物代谢。或者，死亡的生物量可以作为尸体埋在土壤中。另一种途径是溶原性，即噬菌体结合到宿主的基因组中。宿主基因组由蓝色圆圈表示，原噬菌体部分为红色。被携带辅助代谢基因的裂解或温和噬菌体感染的宿主可能表达辅助代谢功能，可以补充宿主代谢。辅助代谢基因的酶产物由细菌细胞内的红色形状表示。由于病毒分流和辅助代谢，土壤微生物群落的成员可能会增加种群密度。有时，细菌通过CRISPR间隔物的积累而对重复感染产生抵抗力，甚至在感染后获得毒力（红色符号表示的毒力因子），这导致“感染”细胞的持续生长或生态位的变化。 溶原现象 温和噬菌体(原噬菌体)普遍存在于许多不同类型的土壤中。高达40%的陆地细菌种群含有可诱导的温和病毒。与水生系统中的噬菌体相比，土壤中的噬菌体被认为具有更普遍的溶原性生活方式。“搭乘胜利者”假说认为，当宿主密度高时，温和的生活方式更受青睐。因此，病毒有机会通过溶原作用利用它们的宿主，而不是裂解它们。相反,“杀死胜者”假说认为优势宿主被噬菌体裂解。在宿主细胞受营养胁迫的土壤中，温和且有利于宿主存活的病毒更有可能被选择和保留，从而支持“搭乘胜利者”假说。一项模拟研究进一步支持了这一假设，该研究表明，在导致宿主多度和活性降低的条件下，溶原性是有利的。尽管在基于培养的研究中已经报道了溶原性噬菌体和宿主之间增强的互利关系的潜在机制，但由于实验的挑战，很少在土壤中进行明确测试(方框1)。 溶原性在土壤环境中很难评估。已经使用的一种方法是化学诱导。例如，丝裂霉素C已被用于诱导溶原，以计算VBR和估计土壤中的溶原性。VBR取决于土壤类型，从小于1到几千不等。高VBR表明高病毒动力学。相比之下，低VBR反映了较低的裂解繁殖率和活性和/或高的病毒衰变率。或者，病毒只是从系统中消失，例如被土壤颗粒吸附。当在不同季节和不同管理实践下的土壤中进行比较时，发现土壤中的诱导型温和噬菌体比游离细胞外病毒更不相似，这表明它们对环境条件变化的反应不同。 病毒-宿主相互作用 在溶原过程中，细菌宿主的适应性和温和噬菌体的适应性通常是一致的。溶原性转化可以促进宿主和温和噬菌体以最大化两者适应性的方式适应环境。对于噬菌体来说，溶原性使它们能够在土壤中保持相对稳定的种群密度。反过来，温和噬菌体通过溶原性转化以几种方式使宿主受益，包括通过称为重复感染免疫的过程表达保护它们免受其他噬菌体感染的基因，或通过表达影响宿主细胞过程的基因，包括应激耐受性和毒性。例如，在铜绿假单胞菌中，通过噬菌体介导的表面修饰排除重复感染，没有成本的刺激了土壤中宿主细胞的抗性。类似地，用温和噬菌体感染的炭疽芽孢杆菌细胞在土壤中表现出增强的胞外多糖表达。由此增加的形成生物膜可以促进炭疽芽孢杆菌在土壤环境中的长期存活。此外，在细胞水平上宿主适应性的提高可以导致群落水平上微生物种群组成的变化。因此，了解噬菌体-细菌巩固各自或共同利益背后的进化机制以是非常有趣的。 宿主可以通过共同进化建立对反复病毒感染的抵抗力。经过几轮裂解周期后，宿主和噬菌体群体的成员经历了相互的选择压力，分别产生了抗性和增加了传染性。细菌可以通过多种机制获得耐药性，包括突变、限制性修饰系统和通过CRISPR–Cas系统获得适应性免疫。在最后一种情况下，宿主基因组获得了入侵病毒序列的片段，这些片段作为免疫记忆存储在CRISPR阵列中。噬菌体可以对抗细菌耐药性，并启动与宿主的军备竞赛，推动细菌和噬菌体之间的共同进化，从而改变微生物群落的组成。在某些情况下，共同进化可以导致微生物宿主共同适应变化的环境。例如，在铬污染的土壤中的细菌群落中检测到更多的溶原菌，并且更多的噬菌体与重金属耐受细菌相关。反过来，这些溶原性噬菌体被发现携带更多调节重金属解毒的AMG。因此，更好地理解溶原性和溶菌性生活方式的生态结果是揭示土壤病毒对土壤微生物动力学影响的关键。 土壤病毒与其宿主的数量和活动密切相关。能够感染有限数量亲缘关系较近的宿主的病毒被认为是“专家”，能够感染一系列不同宿主的病毒被认为是“通才”。在一项对从土壤中分离的假单胞菌噬菌体的研究中，专业噬菌体与普通噬菌体几乎没有生态位重叠(也就是说，它们感染不同的细菌类群)。土壤基因组中的病毒-宿主配对主要使用CRISPR间隔区匹配来检测。通过使用这种方法，草原和北极泥炭土中的病毒通才(其基因组含有与宿主基因组中CRISPR间隔区更多的匹配)与最丰富的病毒簇相关。这些结果表明，病毒通才在土壤环境中具有竞争优势，在土壤环境中，宿主具有低活性和/或它们能够进入更多的生态位。然而，在病毒通才的进化过程中，多种特征处于选择之下，这可能导致一些适合度相关特征的代价(例如受损的生长率)。例如，复杂环境中的热应激导致增加病毒衣壳稳定性的选择性压力。在这种情况下，病毒通才的增长率较低，也没有专家稳定。因此，病毒通才的存在和流行代表了与宿主不断军备竞赛中的健康权衡。 土壤病毒的功能含义 由于宿主细胞物质释放到土壤环境中，可以成为土壤生境中其他微生物种群生长的基质，病毒裂解可以影响土壤生态(图2)。这一过程被称为“病毒分流”，因为它绕过了营养物质从微生物细胞向土壤微生物食物网中更高营养级的流动。因此，土壤噬菌体有可能通过病毒分流促进土壤中的生物地球化学循环。通过追踪从植物到细菌再到噬菌体的13CO2标记的碳，最近确定了植物、细菌和病毒之间的直接联系。在该研究中，完整和环状噬菌体基因组用13C高度标记，这表明游离或裂解性噬菌体参与了所研究土壤的碳循环。这一发现不仅为碳循环中的界间相互作用提供了直接证据，而且也暗示了在繁殖更活跃的噬菌体时从宿主裂解中分流的碳的可能命运。 病毒可以影响和调节宿主代谢，以直接或间接有利于自身复制(图2)。温和噬菌体编码转录调节因子，直接抑制裂解生命周期的基因表达，也影响参与其他宿主代谢过程的相邻基因的表达谱。例如，从恶臭假单胞菌中切除溶原性噬菌体导致邻近的砷酸盐还原酶基因的表达增加。然而，温和病毒在土壤细菌细胞生理学中的作用仍然是未知的。我们也不知道不同的土壤细菌宿主是否能从噬菌体转化引起的代谢变化中获益。尽管存在这些知识缺口，但普遍认为土壤病毒可以影响宿主种群动态及其代谢潜力，进而对关键的生态系统功能产生影响。 土壤病毒影响宿主代谢和生态系统功能的另一种方式是通过AMGs的表达。AMGs可能会增加土壤中宿主和病毒的适应性(表1)。例如，与未污染土壤中的溶原性噬菌体相比，在较高铬诱导的胁迫下的溶原性噬菌体被发现具有更多调节微生物重金属解毒的AMGs。因此，土壤病毒中AMGs的类型和数量可能反映了土壤微生物群落所经历的压力类型。不同土壤中检测到的常见AMGs与碳代谢和细菌孢子形成有关，这一发现加强了这一假设(表1)。例如，在解冻的永久冻土和草原土壤中的病毒中发现了AMGs，它可能编码一种与细菌孢子形成有关的基因。此外，在地下土壤中检测到的碳水化合物代谢的注释AMGs比在表层土壤中检测到的更多，这表明相应的病毒在营养缺乏的地下条件下执行更多的代谢功能(表1)。然而，检测和验证土壤AMGs的一个限制是，它们中的大多数是根据它们与微生物基因组数据库中注释基因的序列相似性进行分类的，这排除了那些尚未被表征的基因。另一个限制是迄今为止只有很少的来自土壤病毒体的AMGs被表达并被证实是有活性的。一种功能性AMGs表达自解冻的永久冻土，编码内切-1,4-β-甘露糖苷酶，一种参与切割β-1,4-连接甘露糖的酶。此外，编码负责降解L-2-卤酸农药前体的L-2-卤酸脱卤酶的AMG被证实是有功能的，并能改善农药污染土壤中的细菌生长。最近，我们筛选了编码壳聚糖酶的AMGs的土壤宏基因组序列，并证实其中一些表达。随后，我们获得了壳聚糖酶AMGs的详细晶体结构，确定了活性位点并提出了机理。除了这些例子之外，关于AMGs在天然土壤中的功能和表达，土壤环境的变化如何影响它们的表达，以及它们在多大程度上影响宿主种群，我们知之甚少。
气候变化对土壤病毒的影响 气候变化已经对陆地生态系统产生了重大的全球性影响。温室气体的水平正在增加，这影响了大气温度和植物的生产力。由于大气温度的上升，土壤温度也在上升，这导致北极的永久冻土融化。火灾的范围、持续时间和严重程度都在增加。海水水位正在上升，侵蚀着沿海地区。气候变化的所有这些后果都会对土壤微生物群落产生影响，无疑也会对相关病毒产生影响。在这一节中，我们将重点介绍目前已知的气候变化如何影响土壤病毒。迄今为止，大多数已发表的研究都着眼于土壤变暖、冻土融化和土壤湿度变化对土壤病毒的直接影响，本文对这些领域进行了初步总结。然而，我们承认，除了气候变化对土壤病毒的直接影响，还有一些间接影响需要考虑。例如，随着气候变化引起的风向转变，土壤病毒有可能以气溶胶或尘粒的形式被带到空气中。 更高的温度 已知温度会影响土壤中病毒的持久性和数量。因为土壤细菌群落组成受温度影响，温度对土壤噬菌体的多度有间接影响。温度也直接影响噬菌体在土壤中的存活，与它们的宿主无关。一般来说，噬菌体在较低的土壤温度环境中以溶原状态存活得更好。相比之下，较高的土壤温度会增加微生物的活性，可能会诱导温和的噬菌体进入裂解生命周期，进而刺激病毒和宿主之间的军备竞赛。这种转变的可能结果包括宿主细胞的裂解和可以通过病毒分流循环的细胞物质的贡献。在较高的土壤温度下，土壤中的游离病毒也可能更快地失活和/或降解，这可能导致延长的变暖期后存活病毒的减少。然而，我们对大多数细胞外病毒在土壤中的稳定性或持久性知之甚少。 CRISPR–Cas标记基因的宏基因组筛选用于确定土壤噬菌体与其宿主之间的潜在相互作用，这是在美国俄克拉荷马州草原土壤的8年实验变暖之后进行的(从2009年到2016年)。筛选土壤基因组中的cas1基因，并比较不同升温处理中获得CRISPR–Cas系统的每个微生物门成员的百分比(称为“cas1流行度”)。当土壤温度在2012年比环境温度升高4.16°C时，大多数微生物类群的多度增加，但在随后的4年(2013年至2016年)中多度下降。在此期间，cas1基因在大多数分类群中的流行增加，包括微生物多度下降的分类群，这表明CRISPR–Cas系统是在土壤增温期间选择的。土壤微生物群中的CRISPR–Cas免疫力在最大温度升高后(即2012年)最高，这表明较高的土壤温度刺激温和的土壤病毒变得更具裂解性。反过来，这将导致更多的病毒-宿主相互作用。噬菌体感染进化压力的增加可能部分解释了微生物群落中CRISPR-Cas流行率的增加。 永久冻土融化 永久冻土层是土壤有机碳的巨大储存库,相当于目前大气和植被中所含的碳总和。随着永久冻土的融化，覆盖其上的季节性解冻的“活性层”加深，先前冻结的有机碳变得更容易被微生物分解。永久冻土融化导致的水文变化是土壤微生物群落随后变化的关键驱动因素。根据永久冻土层的类型(例如，有机物质和冰含量的百分比)，微生物群落组成和推测的相关病毒存在差异。目前的一个知识空缺是病毒在永久冻土中的完好程度和存活能力，以及随着永久冻土的融化，会出现什么样的病毒种群。巨型病毒，包括mimiviruses和pandoraviruses，已经从古老的永久冻土样本中完整地分离出来，并能够在培养中复活和生长，这表明永久冻土栖息地可能保存着活病毒。随着宿主群落和永久冻土带的变化，相关的病毒种群无疑也会发生变化。关于永久冻土融化对土壤病毒影响的最广泛研究的例子是瑞典的Stordalen Mire永久冻土融化梯度。在这个梯度上收集和分析样本包括解冻表面'活动层'栖息地，从季节性冰冻沼泽到部分解冻沼泽再到完全解冻沼泽栖息地，这些栖息地解冻时间增加。在Stordalen Mire的宏基因组中鉴定了近2000个病毒群体(噬菌体)。几个噬菌体序列与推定的微生物宿主群体相关联。在那项研究中，还从样本中提取了RNA，宏转录组数据显示，超过一半的检测到的病毒具有转录活性。这项研究也首次证实了病毒AMGs可以产生一种功能活性酶，内甘露聚糖酶。这一发现表明，当永久冻土融化时，土壤病毒可能通过影响宿主代谢而在土壤生态系统的碳循环中发挥直接作用。此外，土壤病毒可以通过裂解其宿主并分流较高营养级的溶解有机碳来间接促进病毒分流。 随着永久冻土融化，环境发生了重大变化，对土壤病毒及其宿主产生了连锁效应(图3)。沿着Stordalen沼泽融化梯度，栖息地变得越来越潮湿，适合产甲烷菌的生长。因为甲烷是一种强温室气体(比二氧化碳强约25倍)，这加剧了永久冻土融化的负面后果。从干燥的沼泽到潮湿的沼泽，病毒群落相应地从更像“土壤”的病毒转变为更像“水生”的病毒(图3)。然而，关于解冻对土壤微生物和病毒的影响，没有发现普遍趋势。当评估病毒-宿主多度比时，随着解冻时间的增加，一些分类群显示增加，一些减少，一些没有显著变化。一些环境变量与病毒-宿主多度比的变化相关，包括pH和溶解有机碳浓度。例如，酸杆菌门的成员与溶解有机碳浓度高度相关，该门的一些成员先前被证明与Stordalen Mire 泥炭丘和沼泽位置的碳聚合物的降解相关。对病毒多度的预测也被用于改善对气候相关碳测量的预测。通过回归分析，发现病毒多度数据比一些宿主多度数据(例如，对于甲烷氧化菌和产甲烷菌)更好地用于预测孔隙水碳化学。因此，作者认为，产甲烷菌的病毒捕食影响了样品中甲烷产量的变化。这些结果表明，对土壤病毒的了解有助于提高对冻土融化对土壤生物地球化学和温室气体产生的影响的预测。 一个问题是宏基因组测序是否是确定气候变化如何影响活跃病毒的可靠方法，因为DNA可能来自休眠或死亡的种群。最近，稳定同位素探测与宏基因组测序相结合，以确定在北极泥炭土的模拟冬季条件下哪些DNA病毒是活跃的。从阿拉斯加中部采集的冷冻样本在低于冰点的条件下用H218O培养了一年。在此期间，包括病毒在内的活跃群体将18O整合到复制的DNA中。温育后，提取DNA并分离成重和轻组分。重组分的宏基因组测序揭示了哪些群体是活跃的。稳定同位素探测——宏基因组学方法成功揭示了数百种DNA病毒在这些条件下是活跃的。三分之一的病毒序列通过与宿主宏基因组组装的基因组连接而被分配给潜在的活性宿主。“感染”最严重的细菌门是放线菌、绿弯菌门和厚壁菌门，几个宏基因组组装的基因组与病毒操作分类单元相关联。虽然这种方法目前在技术上具有挑战性，但它应该适用于未来确定病毒是否在其他土壤生态系统中活跃。
图3. 冻土融化对土壤病毒的影响。完整的永久冻土含有大量不活动的病毒和活动性低的休眠宿主。在过渡期间，永久冻土融化导致景观水文变化，包括活动层厚度增加和植物生长。病毒宿主变得更加活跃，病毒活性增加，包括宿主裂解的增加。完全解冻的永久冻土，土壤表面下沉到地下水位以下，导致水饱和。在这种情况下，氧化还原条件发生变化，导致植物和微生物宿主以及相关病毒种群发生变化。 土壤含水量的变化
图4. 土壤含水量变化对土壤病毒的影响。土壤水分向更湿润的条件转移（例如，降水量增加或洪水）导致土壤微团聚体之间的连通性增加，病毒发现和感染宿主的机会增加。病毒裂解的一个结果是细胞物质的释放，这些物质可以被微生物群落循环利用（病毒分流），并进一步增强微生物宿主和病毒活性。相比之下，当土壤湿度降低（例如由于干旱）时，土壤中的微生物之间的连通性就会降低。这会减少病毒与宿主的相互作用。此外，在干燥条件下，溶原性增加，辅助代谢基因的积累增加，这可能有助于宿主和病毒在紧张的土壤条件下生存。注意，这些例子代表了用于说明目的的极端情况（例如，溶原噬菌体和辅助代谢基因也可以存在于潮湿的土壤中）。在这两种情况下，土壤湿度变化的结果都是病毒介导的宿主演替。 南极土壤中病毒的组成也受到土壤含水量的影响。几个环境变量，包括pH值、海拔、水的可获得性和温度，控制着南极洲的病毒类型和数量。对南极洲极度干燥的山谷的研究表明，大多数病毒是温和的噬菌体，噬菌体与细菌的比例很高。这种极度干旱寒冷的沙漠环境和其他沙漠环境具有极低的水可用性，这是控制土壤微生物和病毒群落组成的关键因素。在南极干燥的山谷中，微热点存在于岩下群落中，那里的细菌多样性和病毒多样性大于开放的干燥土壤。 最近的一项研究报告了不同历史降水量土壤中病毒类型、多样性、功能潜力和多度的差异。比较了从美国华盛顿(历史上干燥)、堪萨斯(中等)和爱荷华(历史上潮湿)收集的土壤的宏基因组数据。虽然病毒在历史上更干燥的土壤中更丰富和多样，但它们更具溶原性(即，溶原性标记基因的多度估计值更高)，并且根据与检测到的病毒序列匹配的CRISPR间隔区的百分比，显示出更少的近期宿主相互作用的迹象。这项研究产生的假设是，随着宿主变得更加缺水，彼此更加隔离，与干燥土壤中的游离病毒更加隔离，它们变得更加休眠，病毒相互作用更少。反过来，干燥的环境选择了具有溶原性生活方式的病毒，或者那些对宿主免疫力更有抵抗力的病毒。相比之下，在较潮湿的土壤中，水增加了宿主生长基质和养分的可用性，这些基质和养分将选择裂解病毒。 为了阐明活性土壤病毒随土壤湿度变化的具体差异，作者重点研究了上述堪萨斯州土壤位置。堪萨斯州很有意思，因为气候模型预测该州东北部的降水会增加，西南部的干旱也会增加。从堪萨斯州的原生草原位置收集的土壤通过实验进行湿润或干燥，并使用多组学方法进行评估。转录数据显示，土壤DNA病毒的一个子集在潮湿条件下比在干燥条件下更活跃地将DNA转录成RNA。虽然在干燥条件下检测到了更多的土壤病毒，但它们的转录活性较低，这可能是由于它们的宿主在这些条件下的活性较低。对宏转录组数据的分析也揭示了一些RNA病毒在不同土壤水分条件下的差异。例如，已知以变形菌为天然宿主的Leviviridae成员在较潮湿的土壤中更丰富，而真核病毒科副粘病毒科成员在较干燥的土壤中更丰富。 尽管目前研究的数量有限，但这些结果表明土壤湿度是决定土壤病毒多度的关键环境因素(图3)。由于病毒与干燥土壤颗粒的不可逆结合，土壤病毒在干燥土壤中会变得不活跃。相比之下，病毒在土壤中的移动性与病毒在土壤中的吸附相反。土壤湿度的变化也会影响土壤的pH值，已知pH值会影响病毒吸附到土壤颗粒上的能力。由于预计超过90%的土壤病毒颗粒会吸附到土壤团聚体上，土壤pH值的变化可能会影响土壤中游离病毒的多度和组成以及它们与宿主的相互作用。 随着野火发生频率的增加，它们无疑会对土壤湿度产生影响，尤其是表层土壤。最近的一项研究评估了野火对土壤微生物群的影响，包括美国科罗拉多州和怀俄明州森林火灾后的病毒群落。几个DNA和RNA病毒群体分别从宏基因组和宏转录组中回收。通过将潜在的病毒与它们的宿主联系起来，这项研究揭示了大多数病毒种群的目标是受火灾影响的土壤中最丰富和最活跃的细菌，这支持了“胜者为王”的假设。然而，根据溶原性标记基因的流行情况，在几个病毒群体中鉴定出溶原性生活方式，这表明“搭乘胜利者”策略也用于烧焦的土壤。一些病毒基因组具有碳化合物代谢的AMGs。这些AMGs的一个子集是从温带噬菌体转录的，这表明它们可能在野火后的宿主存活中起作用。 框2 气候变化对土壤病毒病原体的影响 沿海洪水增加 融化的永久冻土 植物病原病毒 结束语和建议 最近的研究表明，土壤病毒非常丰富，并受到气候变化的影响。因为土壤病毒群落与它们的宿主群落密切相关，气候变化导致的病毒变化可能是其宿主变化的间接结果。然而，土壤物理化学性质的一些变化，例如由于变暖或湿度变化，可以直接影响土壤病毒。例如，当土壤干燥时，土壤病毒与土壤颗粒结合。因此，随着气候变化，土壤生境的物理环境和宿主之间的复杂相互作用将决定土壤病毒的最终命运和功能。有趣的是，土壤病毒可以携带AMGs，这些AMGs可能对碳和其他营养物质的循环以及土壤中其他未知的过程起作用。 在撰写这篇综述的过程中，我们开始意识到，关于气候变化对土壤病毒的影响，目前存在着多么大的知识缺口。大多数土壤病毒与海洋和动物系统中的病毒不同，并且绝大部分病毒仍未被鉴定。特别是对土壤ssDNA病毒和RNA病毒以及它们如何受到气候变化的影响知之甚少。因此，我们建议开展更多的研究，以确定土壤中DNA和RNA病毒的类型、它们潜在的辅助代谢功能以及它们影响宿主动力学的潜力。此外，我们建议开展更多研究，以了解气候变化的不同方面如何影响土壤病毒、它们的生态作用以及它们成为病原体的可能性(框2)。其他悬而未决的问题包括：不同的气候变化影响如何影响土壤病毒的类型、多度和功能？土壤病毒群落的变化对生态系统有哪些积极和/或消极的影响？不同类型的土壤DNA和RNA病毒的相对多度和多样性如何？土壤噬菌体在溶原性和溶原性生命周期之间交流和转移的生物和/或非生物线索是什么？以真核生物为宿主的土壤病毒有哪些生命周期？土壤环境的变化如何影响它们的生命周期？不同土壤中的微生物群落结构是如何形成病毒群落结构的，反过来病毒又是如何影响各自的微生物群落组成和功能的？病毒和微生物群落之间的关系是否受到诸如土壤微生物组成冗余和环境压力(例如干旱和火灾)等因素的制约？什么样的环境变化会引发有可能成为病原体的土壤病毒宿主范围的变化？最后，从基因组数据预测的病毒AMGs的功能是什么，病毒AMGs的表达如何影响土壤生态，包括生物地球化学循环？通过回答这些问题，研究界应该能够帮助填补目前关于土壤病毒及其生态作用的知识空白，并更好地了解土壤病毒如何受到随着气候变化而发生的土壤环境变化的影响。 |
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