土壤微生物(尤其是細菌)參與并驅(qū)動了不同環(huán)境條件下的元素生物地球化學循環(huán)過程，而細菌周圍通常伴有高豐度的病毒存在。據(jù)統(tǒng)計，全球病毒數(shù)量約為4.8×1031個，而土壤病毒豐度占全球病毒數(shù)量的10%左右，每克土壤中病毒豐度最高可達1010病毒粒子(virus-like particles,VLPs)。據(jù)大量研究報道，病毒作為地球上最神秘且種類和數(shù)量繁多的生物實體，在調(diào)控微生物多樣性和群落結(jié)構、元素生物地球化學循環(huán)和生物進化中起到關鍵作用。一方面，土壤病毒群落能夠通過感染和裂解宿主細胞對特定宿主細菌物種的豐度變化作出迅速響應，在此過程中釋放出養(yǎng)分物質(zhì)并影響微生物殘體的生成，從而影響?zhàn)B分循環(huán)。另一方面，病毒能夠介導宿主細胞間的水平基因轉(zhuǎn)移來驅(qū)動宿主微生物進化，并通過病毒與宿主間從個體到群落水平上錯綜復雜的互作關系，影響微生物多樣性和群落結(jié)構。因此，土壤病毒是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和促進生物地球化學循環(huán)過程中發(fā)揮著至關重要的作用。
土壤具有豐富的空間結(jié)構(比表面積為1.1×106?8.0×106 cm2/g)，其與土壤水肥氣熱等要素共同塑造了土壤特有的微觀異質(zhì)性，為土壤病毒和其他微生物的活動創(chuàng)造了多重生態(tài)位(圖1)，但與此同時，土壤孔隙結(jié)構的異質(zhì)性往往會導致土壤中微生物運動受到限制。如土壤孔隙特征通過影響?zhàn)B分擴散、運移，導致不同微生境土壤中養(yǎng)分含量差異并影響微生物對養(yǎng)分的獲取策略，進而影響土壤病毒與宿主細菌間的互作關系。此外，病毒自身不具備自主運動能力，其主要依靠氣流、水流以及其他生物的攜帶在環(huán)境中被動遷移，并主要通過布朗運動在土壤團聚體表面的水膜中進行擴散。在水生環(huán)境中，病毒易于運移，且與易感菌株的相遇機會較大；而在土壤環(huán)境中，由于空間異質(zhì)性以及土壤膠體等物質(zhì)的吸附作用會限制病毒運移，進而限制了土壤病毒-宿主微生物間的互作過程。然而，自然土壤常處于非飽和水分狀態(tài)，土壤部分孔隙間由于缺水，連通性受限，在土壤團粒結(jié)構中產(chǎn)生空間隔離，這也會導致土壤微生物(包括病毒)產(chǎn)生不同的進化軌跡，甚至使微生物種群出現(xiàn)平行進化，進而增加土壤微生物群落中的局部多樣性并形成獨特的微生物(病毒、細菌及真菌等)群落結(jié)構。
圖1土壤團聚體微生物群落分布
近年來，土壤病毒愈發(fā)受到科研學者們的關注，了解病毒在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的功能及作用機制具有重要意義。然而，由于土壤自身的復雜性及其動態(tài)變化特征，病毒在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮的功能及其作用機理，一直是該研究領域的薄弱環(huán)節(jié)。目前，人們對土壤病毒類型、豐度、影響因素、作用機制及生態(tài)功能仍知之甚少?；诖?，本文借助文獻計量分析方法，系統(tǒng)梳理國內(nèi)外關于土壤病毒相關研究進展，闡述該研究領域的現(xiàn)有方向及國內(nèi)外研究熱點，并根據(jù)當前需求，提出該研究領域的關鍵知識空白及未來研究展望，以期為該研究領域的探索和發(fā)展提供一定參考。
土壤病毒研究發(fā)展態(tài)勢
本研究基于Web of Science(WoS)核心合集數(shù)據(jù)庫，通過主題檢索，統(tǒng)計自1900年至今土壤病毒(包括噬菌體)研究領域的年發(fā)文量，并歸納總結(jié)出其發(fā)展態(tài)勢。1936?2021年土壤病毒研究領域發(fā)展可劃分為2個階段：平穩(wěn)發(fā)展階段(1936?1990年)和迅速增長階段(1991年至今)。1936?1990年，每年發(fā)文量不超過10篇，該時期土壤病毒研究發(fā)展緩慢；1991年至今，發(fā)文量極速增長，尤其是近幾年發(fā)展更為迅速(圖2)。這說明土壤病毒研究領域當前正處于高速發(fā)展階段，國際上對土壤病毒相關研究的關注程度越來越高，同時也證實該研究領域目前為國際土壤學研究熱點，推測可能是近年來分子生物學技術的突破、生態(tài)學理論的廣泛應用及新冠病毒感染疫情極大地推動了土壤病毒研究領域的發(fā)展。
利用檢索自WoS核心合集數(shù)據(jù)庫1936?2022年發(fā)表的土壤病毒相關文獻信息，進行關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡分析，發(fā)現(xiàn)土壤病毒研究領域的發(fā)展主要是圍繞病毒多樣性及生態(tài)學效應(主要關鍵詞有diversity、population dynamics、communities、abundance、ecology等)、遷移傳播(主要關鍵詞有movement、transport、adsorption、porous media等)及侵染機制、抗性基因、生物進化及調(diào)控(主要關鍵詞有infection、resistance gene、evolution、biological control等)等3個大方向(圖3)。
土壤病毒研究熱點
土壤病毒類型
病毒作為宿主細胞外獨立粒子，基因組物質(zhì)都包裹在蛋白質(zhì)結(jié)構中。土壤中大多數(shù)典型噬菌體衣殼上附著有尾絲蛋白，參與宿主識別和感染，少數(shù)有脂質(zhì)包膜。Weinbauer觀察水生環(huán)境病毒直徑為30?80 nm，土壤病毒大小也在這個范圍內(nèi)，典型噬菌體的衣殼最常見直徑約為60 nm。因此，噬菌體的等效直徑一般要比細菌細胞(1?5μm)的尺寸小很多。從噬菌體的核酸類型來看，噬菌體可以攜帶雙鏈DNA(double-stranded DNA,dsDNA)、單鏈DNA(single-stranded DNA,ssDNA)、雙鏈RNA(double-strandedRNA,dsRNA)、單鏈RNA(single-stranded RNA,ssRNA)。
圖2 1936?2021年土壤病毒研究領域SCI發(fā)文量變化
圖3 1936?2022年土壤病毒研究高頻關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜(A)和高頻關鍵詞聚類圖譜(B)
常見的噬菌體分為短尾噬菌體科(Podoviridae)(尾部短，不可收縮)，肌尾噬菌體科(Myoviridae)(尾部長，可收縮)，長尾噬菌體科(Siphoviridae)(尾部長，不可收縮)，以及一些球狀、線狀的病毒顆粒。比較了多種不同類型土壤的病毒顆粒形態(tài)，發(fā)現(xiàn)多數(shù)土壤以有尾噬菌體為主(80%)，僅有1種農(nóng)業(yè)土壤中56%為球形病毒顆粒。估算有尾噬菌體(Caudovirales)的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)其蛋白質(zhì)和核酸質(zhì)量相等，而絲狀病毒通常只有6%?14%的核酸。
此外有研究發(fā)現(xiàn)，病毒粒子大小與基因組大小存在一定相關性，如大腸桿菌病毒粒子MS2噬菌體直徑為26 nm，單鏈核糖核酸基因組只有3 569個核苷酸，僅攜帶4個基因。而巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium)噬菌體的衣殼直徑為160 nm，能攜帶細菌497 kb雙鏈脫氧核糖核酸基因組，比一些細菌基因組還要大。在土壤中，還存在著一些巨大病毒(giant viruses)，如核質(zhì)巨D(zhuǎn)NA病毒(nucleocytoplasmic large DNA viruses,NCLDVs)，其具有至少300 kb的基因組，主要感染真核生物(尤其是原生生物和藻類)。通過迷你宏基因組學方法(mini-metagenomics)在森林土壤中發(fā)現(xiàn)了16個新的巨大病毒基因組，并通過系統(tǒng)發(fā)育分析將它們歸屬于klosneuviruses、Cafeteria roenbergensisvirus和tupanviruses。
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