土壤病毒是地球上數(shù)量最多的生物因子之一，其在感染和重編程宿主微生物代謝的過(guò)程中，能夠深刻影響土壤有機(jī)質(zhì)的形成與穩(wěn)定。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，病毒在土壤碳循環(huán)中的生態(tài)功能被嚴(yán)重低估，現(xiàn)有的碳循環(huán)模型主要關(guān)注“施肥—微生物—碳庫(kù)”路徑，對(duì)病毒通過(guò)感染、裂解和代謝輔助調(diào)控微生物周轉(zhuǎn)及有機(jī)碳積累的機(jī)制缺乏直接證據(jù)。

針對(duì)這一理論不足，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所梁小龍研究員團(tuán)隊(duì)依托紅壤稻田長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)，結(jié)合病毒組學(xué)、微生物群落分析和結(jié)構(gòu)方程模型，系統(tǒng)揭示了不同施肥策略驅(qū)動(dòng)土壤病毒生活史轉(zhuǎn)變及其在調(diào)控微生物周轉(zhuǎn)和有機(jī)碳積累中的關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)富集的有機(jī)肥配施處理顯著促進(jìn)病毒由溶原型向裂解型轉(zhuǎn)變，病毒裂解加速了微生物死亡與殘?bào)w碳生成，增強(qiáng)了土壤有機(jī)碳的積累潛力;而在低養(yǎng)分的無(wú)施肥或單施化肥條件下，病毒傾向保持溶原狀態(tài)，通過(guò)攜帶輔助代謝基因(AMGs)支持宿主代謝功能和存活，維持微生物群落功能與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

研究進(jìn)一步揭示，“施肥策略—病毒生活史—微生物周轉(zhuǎn)—?dú)報(bào)w碳—土壤有機(jī)碳積累”構(gòu)成了調(diào)控土壤碳循環(huán)的關(guān)鍵生態(tài)鏈條，施肥不僅改變養(yǎng)分供給，還通過(guò)病毒介導(dǎo)的微生物碳命運(yùn)控制，決定了碳輸入的去向與留存效率。該發(fā)現(xiàn)從病毒生態(tài)學(xué)角度闡明了施肥促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累的生物學(xué)機(jī)制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)碳循環(huán)理論未能考慮病毒頂端調(diào)控效應(yīng)的不足。該研究將病毒生態(tài)學(xué)納入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理，強(qiáng)調(diào)了病毒作為可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)施肥策略不能被忽視的生物學(xué)維度。研究成果以Nutrient-Dependent Viral Lifestyle Shifts Drive Microbial Turnover and Soil Organic Carbon Accrual為題，發(fā)表在European Journal of Soil Science期刊。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)生態(tài)所王永峰副研究員為第一作者，梁小龍研究員為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省優(yōu)秀青年基金、森林生態(tài)與保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等資助。

圖1. 不同施肥策略下病毒與細(xì)菌豐度。(A)病毒顆粒的豐度;(B)細(xì)菌細(xì)胞的豐度;(C)病毒顆粒與細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量的比值;(D)病毒豐度與細(xì)菌豐度的關(guān)系。Control表示無(wú)施肥處理;CF表示施加化肥處理;M30、M50、M70分別表示施用有機(jī)肥代替30%、50%、70%化學(xué)氮肥處理。

圖2. 不同施肥策略下病毒群落的組成與生存策略。(A)病毒群落的Chao1指數(shù);(B)病毒群落的香農(nóng)指數(shù);(C)病毒群落組成的主成分分析;(D)病毒綱水平的相對(duì)豐度;(E)環(huán)境因子與病毒關(guān)聯(lián)分析;(F)溫和噬菌體與烈性噬菌體的相對(duì)比例。

圖3. 長(zhǎng)期施肥條件下病毒對(duì)土壤有機(jī)碳的調(diào)控作用。