土壤病毒的研究进展与挑战

病毒是由蛋白质和核酸组成的结构简单的非细胞型生物实体,全球病毒数量估算为4.80Í1031,远高于具有细胞型结构的生物数量。土壤是病毒重要的储藏库,土壤中病毒主要以侵染原核生物的噬菌体为主,其数量与寄主细胞数目和土壤理化指标密切相关。虽然学术界已意识到土壤病毒在调控微生物群落结构组成、影响土壤元素循环利用、促进生物进化、以及影响动植物病害,乃至人类健康等方面可能起到重要的作用,但由于受到土壤病毒颗粒的吸附性、土壤异质性,以及研究手段和分析平台的制约,我们对土壤病毒的认知和重视程度远落后于流动的海洋等水体环境。土壤病毒宏基因组中大量的基因序列无法判断其来源及功能,被划分为未知基因,所以病毒也被喻为生物“暗物质”和最大的未知基因宝库。本文在简要介绍了病毒的形态,在土壤中数量、存在形式和多样性的基础上,着重介绍了利用分子标记基因、RAPD和宏病毒组研究技术解析土壤病毒多样性的方法及其局限性,阐述土壤病毒已证实和潜在生态功能。最后,文章提出未来土壤病毒研究应加强的研究方向,强调土壤病毒与土壤微生物耦合研究在揭示土壤生态功能研究中的重要性。

土壤病毒生态学研究方法

病毒是地球上最丰富的生物实体,每克土壤中可包含数以亿计的病毒,它不仅影响土壤中其它微生物的群落组成、土壤元素的生物地球化学循环,还会影响土壤微生物的物种进化,甚至影响植物、动物和人体健康。目前人们对土壤中病毒的种类及丰度、分布特征以及功能引起的生态环境效应还知之甚少。在概述病毒生态学研究方法的基础上,对土壤病毒的提取、纯化、定量及分子生态学方法等基本流程进行了比较分析,以期建立一套快速简便、高效稳定的适用于土壤病毒研究的方法,并用于研究土壤病毒的多样性及分布特征,探讨病毒在环境中的生存和传播机制,为土壤病毒的防控及开发利用提供支撑。

有机培肥条件下红壤区稻田土壤病毒多样性及其对生物地球碳循环的影响

【目的】探究不同有机培肥条件下稻田土壤病毒多样性、群落结构特征及其差异,为揭示病毒与寄主协同进化关系,以及病毒微生态系统驱动生物地球碳循环过程提供理论基础。【方法】长期定位试验开始于1981年,试验设置6个处理,每处理3次重复,试验处理分别为:(1)CK,不施肥;(2)NPK,单施化肥;(3)M1,早稻施绿肥;(4)M2,早稻施绿肥+早稻施猪粪;(5)M3,早稻施绿肥+晚稻施猪粪;(6)M4,早稻施绿肥+晚稻秸秆还田。2020年晚稻收获后,采集耕层(0~20 cm)土壤,通过宏病毒组测序平台、土壤常规理化分析等方法测定土壤宏病毒组以及土壤养分含量。【结果】红壤区稻田土壤病毒分布于37个科,微小病毒科(Microviridae)是红壤区稻田土壤主要的病毒类群。M3处理中长尾病毒科(Siphoviridae)、肌病毒科(Myoviridae)和痘病毒科(Poxviridae)丰度显著高于其他处理(P<0.05,下同),M2处理中微小病毒科和矮化病毒科(Nanoviridae)丰度显著高于其他处理。通过稻田土壤病毒宏基因组基因注释,鉴定出143个独特碳水化合物的运输和代谢基因,46个开放阅读框属于13种病毒辅助碳水化合物活性酶(CAZyme),其中糖苷水解酶最丰富,约占61.7%,其次为糖基转移酶。土壤病毒物种丰富度可在一定程度反映土壤pH、Mg含量和水稻产量的高低,病毒群落结构受p H、Mg含量等其他因素驱动。【结论】微小病毒科是红壤区稻田土壤主要的病毒类群,施用猪粪可显著提高土壤病毒群落结构和物种组成,病毒群落结构受土壤pH和Mg含量的显著影响。通过稻田土壤病毒宏基因组基因注释,在病毒体中检测到丰富的碳水化合物活性酶基因,主要分别属于糖苷水解酶类和糖苷转移酶,病毒编码的辅助代谢基因或代谢基因会改变细菌代谢,间接促进农业土壤的生物地球碳化学循环。

土壤含水量驱动土壤病毒和细菌多度及其与土壤异养呼吸关系的变化

土壤微生物是维持陆地生态系统稳定性和功能的重要组成部分。病毒是地球上数量最多的生物实体,也是若干类型生境中微生物数量的重要调节者。因此,了解病毒与微生物的相互作用,对深入认识包括碳循环在内的生态系统过程具有重要意义。在实验室建立土壤微宇宙实验系统,跟踪调查恒定低含水量、恒定高含水量和波动含水量3种水分处理下土壤病毒和细菌多度的变化,以及土壤异养呼吸速率对土壤病毒-细菌相互作用的响应。相较于低水分处理,高水分处理显著增加了病毒多度(P<0.001)和病毒-细菌多度比(P=0.0026),波动水分处理显著增加了病毒多度(P<0.001)。在高水分处理的土壤微宇宙中,细菌和病毒多度呈现出随时间动荡的信号,即细菌多度表现出增加-降低-增加的趋势,而病毒多度则表现出增加-降低的趋势,且其变化滞后于细菌。土壤异养呼吸速率与土壤含水量(P<0.001)、细菌多度(P=0.0045)和病毒多度(P<0.001)都具有显著的正相关关系。这些结果说明:病毒导致的下行控制可能是细菌多度的重要影响因子,在水分增加情形下,病毒有可能通过加速细菌的更新速率进而加速土壤呼吸。因此,病毒与细菌的相互作用可能是碳循环的重要决定因素。

不同林龄杉木人工林土壤病毒群落特征

为研究杉木人工林土壤病毒群落结构及功能随林分发育的动态演变特征,采集了亚热带不同林龄(8、21、27和40年生)的杉木人工林土壤样品,采用宏病毒组测序技术及生物信息学分析手段,分析土壤病毒群落结构及功能的变化,探讨二者的环境驱动因子。结果表明:在亚热带杉木人工林,土壤病毒群落中有尾噬菌体的占比较高,其中长尾噬菌体科最多(19.6%~39.5%)。不同林龄杉木人工林土壤病毒群落结构差异显著,土壤病毒群落的主要驱动因子是电导率、有效磷。在亚热带杉木人工林土壤病毒编码的辅助代谢基因中,具有代谢功能的基因相对丰度最高,成熟杉木人工林土壤病毒功能的α多样性高于其他林分。不同林龄杉木人工林土壤病毒功能结构差异显著,土壤病毒功能的变化与NH_(4)^(+)-N显著相关。在杉木林林分发育过程中,病毒编码氮、磷相关的辅助代谢基因可能调控宿主微生物新陈代谢,从而对元素的生物地球化学循环过程产生潜在的影响。

校园土壤病毒多样性探索

本研究基于宏病毒组学分析了上海海洋大学校园土壤中DNA病毒群落组成特点。结果表明,有尾噬菌体纲(Caudoviricetes,73.96%)病毒为优势病毒,Zobellviridae(0.47%)和Autographiviridae(0.18%)为优势病毒科。此外,还鉴定到ssDNA病毒科Parvoviridae(0.002%),该病毒科中含有少数可以感染人类的病毒。基因共享网络分析显示,近一半的校园土壤病毒属于新的病毒属。功能基因注释分析表明,校园土壤病毒编码的基因主要与病毒的复制相关。16个病毒辅助代谢基因功能暗示,病毒可能参与土壤中碳循环和硫循环的调节。4.88%的病毒预测出宿主,包括7个细菌门和40个细菌属。其中,假单胞菌属(Pseudomonas)、弧菌属(Vibrio)、链球菌属(Streptococcus)、军团菌属(Legionella)和埃希氏菌属(Escherichia)等含有人类致病菌。研究结果增进了对校园土壤病毒多样性特点的认知,也为评估校园环境卫生安全提供了一定的数据支撑。

掀开土壤生物“暗物质”——土壤病毒的神秘面纱

病毒是地球上数量最多的生命体,在调控寄主群落结构、促进元素生物地球化学循环和生物进化中起到重要的作用。病毒被喻为生物"暗物质"。近年来,海洋环境下病毒生态学研究进展迅速;与此相反,在陆地生态系统,特别是土壤环境中病毒研究进展缓慢。文章从生态学角度对目前有关土壤病毒丰度、形态多样性、基因多样性、研究方法和生态功能等进行简要的阐述,目的在于呼吁从事土壤微生物和土壤生态学研究的工作者重视对土壤病毒的研究工作,从而促进土壤病毒生态学科的发展。

土壤宏病毒组的研究方法与进展

土壤是病毒遗传多样性的储存库,但由于土壤自身特性及技术手段的限制,基于传统培养方法对土壤病毒的研究及功能认知存在局限性。宏病毒组学技术能直接从土壤环境样品中获取病毒基因组,随后通过高通量测序、拼接组装、ORF预测,最终可对病毒基因进行功能注释,极大地丰富了对土壤病毒功能的认识。本文在阐释土壤病毒DNA提取、测序与病毒判别、功能基因注释等研究方法的基础上,重点探讨了单株噬菌体基因组,及近年来国内外土壤与极端陆地环境中宏病毒组研究进展。并对土壤宏病毒基因组研究的前沿和发展趋势进行了总结,强调了土壤病毒研究的整体化、技术流程规范化以及病毒资源库完善化的重要性。

土壤病毒的研究进展与应用前景

病毒是地球上数量最多的生物实体,在调控宿主群落组成、推动宿主进化及影响土壤元素的生物地球化学循环等方面起着非常重要的作用。概括了环境病毒的研究历史及发展现状,揭示了病毒生态学的发展历程;分析了土壤病毒生态学常用研究方法(包括表型、基因多样性、宏基因组、生物信息学分析等),阐述了土壤病毒的多样性、病毒在土壤生态系统中的生态功能;展望了环境噬菌体的应用(噬菌体疗法)及发展前景。

日本首次找到抗大麦条纹萎缩病毒病的人工诱发隐性突变体

据日本育种学杂志1980年30卷(2号)鹈饲保雄等人报道,大麦条纹萎缩病毒病,近年在九州至东北的广大地区广为蔓延,不论是早地还是水田的大麦都深受其害。由于本病害尚未找到有效的药剂防治办法,因此迫切要求培养抗病品种。为此。