病毒是土壤生态系统不可或缺的重要组成部分，已有的理论和研究进展表明土壤病毒是影响和维持土壤生物多样性、生物地球化学循环、土壤肥力和植物健康的重要因素，土壤病毒的生态功能日益受到关注。然而，长期以来，国内外学者忽视了土壤病毒的相关研究，对土壤病毒生态功能缺少系统性认识和理解，病毒感染对土壤微生物群落结构和生物地球化学的影响程度尚不清楚。
中国科学院沈阳应用生态研究所微生物生态与技术组团队专注于病毒与土壤环境之间的关系研究，深入探究了细胞和群落水平的病毒-宿主相互作用网络，以及病毒在控制有机碳和养分循环中的功能，通过凝练团队的研究结果和综合本领域已有的研究基础，提出了将病毒纳入土壤生态学研究体系的观点，并提出在生态系统服务功能的框架下开展土壤病毒生态学研究的思路。首次系统地考察了土壤病毒的丰度和分布情况，分析了土壤系统中病毒-微生物的丰度关系（图1）。通过整理土壤病毒研究的数据，发现了土壤病毒的垂直空间分布规律，土壤环境中病毒的丰度与微生物丰度呈显著正相关，“病毒-微生物细胞数量比率”（VMR）值分布广泛，其中95%报道的数值在0.2至75之间，VMR的中值为11.1，与海洋系统中观测的VMR中值相近，但土壤环境物化性质的空间差异性可能导致了病毒和微生物繁殖速率的不平衡，进而使得土壤系统中VMR值的广泛差异。本研究还揭示了VMR值与微生物丰度相关性的两种不同的模式，即在土壤环境中的低细胞密度下（< 108个细胞/克干土）为正相关，在较高的细胞密度下（> 108个细胞/克干土）为负相关。
研究土壤病毒的主要生活策略及其对土壤微生物的影响对更好地了解土壤病毒的生态作用至关重要，病毒的繁殖依赖于宿主细胞的代谢机制，病毒复制方式（裂解、溶原性过程）的选择与宿主细胞的命运直接相关。温和病毒繁殖策略的选择在调节微生物丰度、组成、多样性和活性方面起着重要作用，并受到微生物宿主细胞丰度和许多环境因素的影响。病毒通过侵染裂解微生物细胞，释放细胞内容物，推动营养物质周转，促进同环境中其它微生物种群的生长和代谢活动。细胞裂解后残留微生物生物量的矿化也可以调动养分以供植物吸收，从而间接地将病毒裂解活性与土壤生态系统中的植物生长和微生物生产联系起来（图2）。微生物死亡残体已被证明是土壤养分缺乏条件下微生物的一种可能的营养来源，病毒介导的细胞裂解可释放大量的营养物质，可能促进土壤中微生物在饥饿条件下的功能。土壤病毒在生物地球化学循环中的潜在作用有很多（图3），最新研究表明，病毒在形成顽固的矿物结合态有机物方面发挥着重要作用，病毒裂解通过加速微生物生物量的周转，提升稳定态土壤有机质（SOM）的形成，有助于碳和其它元素的固存。因此，病毒可直接影响微生物的活动和生物量周转，操纵微生物对土壤生物地球化学过程中C、N、P、S等重要元素循环的调控，最终影响土壤生态系统中生物源元素的转化和保存。研究工作填补土壤生态学的知识缺口，为全面理解土壤病毒对陆地生态系统过程的贡献奠定了基础。
研究成果近期发表在Critical Reviews in Environmental Science and Technology和Applied Soil Ecology上，微生物生态与技术组梁小龙研究员为两项成果的第一和通讯作者，课题组张颖研究员、王永峰副研究员、谢柠桧博士、王硕博士研究生，美国田纳西大学Mark Radosevich教授、庄杰教授、Jennifer DeBruyn教授和Steven Wilhelm教授也参与该项研究工作。该研究得到中国科学院高层次人才计划、国家重点研发计划、辽宁省优秀青年基金和沈阳生态所自主重大项目等项目的资助。
图1 土壤病毒的丰度、病毒-微生物数量比（VMR）及与微生物丰度的相关性
图2 土壤病毒对陆地生态系统服务功能的贡献示意图
图3 病毒介导的土壤生物地球化学循环调控过程示意图
文章链接：
Liang et al. 2024. Incorporating viruses into soil ecology: a new dimension to understand biogeochemical cycling. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 54: 117–137. https://doi.org/10.1080/10643389.2023.2223123
Liang et al. 2024. Studying soil viral ecology under an ecosystem services framework. Applied Soil Ecology, 197: 105339. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2024.105339
