研究簡介：本研究主要對際環(huán)境中病毒如何通過溶原性（lysogeny）介導(dǎo)微生物代謝重編程，從而增強(qiáng)砷氧化的過程進(jìn)行了研究。砷是一種高毒性類金屬，廣泛存在于土壤中，對全球數(shù)億人構(gòu)成健康威脅。砷的氧化態(tài)在毒性、遷移性和生物可利用性方面存在顯著差異，As(V)的毒性較低且更難遷移。研究團(tuán)隊(duì)通過在100天的水稻生長季內(nèi)，每隔兩天對水稻根際和大田土壤進(jìn)行時間序列采樣，收集了豐富的樣本數(shù)據(jù)。利用宏基因組測序技術(shù)，他們分析了病毒和微生物的組成和功能，揭示了根際中砷氧化微生物與病毒之間的復(fù)雜相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，根際環(huán)境顯著促進(jìn)了病毒與砷氧化微生物之間的相互作用，尤其是溶原性病毒在增強(qiáng)砷氧化過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。根際病毒不僅富集了與砷氧化和磷代謝相關(guān)的輔助代謝基因（AMGs），還介導(dǎo)了水平基因轉(zhuǎn)移（HGT），增強(qiáng)了微生物的砷氧化能力。這些發(fā)現(xiàn)表明，根際病毒通過攜帶和轉(zhuǎn)移關(guān)鍵基因，顯著提升了微生物的砷氧化效率。此外，通過構(gòu)建基因組規(guī)模代謝模型（GEMs）和體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)估計根際溶原性病毒對微生物砷氧化的貢獻(xiàn)可達(dá)25%。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了我們對植物-微生物-病毒相互作用的理解，還為開發(fā)基于病毒的生物修復(fù)策略提供了科學(xué)依據(jù)，有助于減輕砷污染對環(huán)境和人類健康的威脅。本研究揭示了根際病毒在砷生物地球化學(xué)循環(huán)中的重要作用，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)中改善土壤健康提供了新的視角和潛在的解決方案。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)被用于測量土壤中的氧氣、pH和氧化還原電位（Eh），以評估根際環(huán)境對砷氧化過程的影響。微電極（Unisense OXY25、ROX-N和pH-N）被插入到土壤樣品中，以測量不同深度處的氧氣、pH和氧化還原電位。了解根際環(huán)境的變化，并提供了高分辨率的土壤微環(huán)境數(shù)據(jù)，這對于理解根際病毒如何影響砷氧化過程至關(guān)重要。通過測量根際和大田土壤中的氧氣、pH和氧化還原電位，能夠驗(yàn)證根際環(huán)境對砷氧化的促進(jìn)作用。這些數(shù)據(jù)支持了論文中關(guān)于根際病毒通過代謝重編程增強(qiáng)砷氧化的結(jié)論。揭示了根際環(huán)境因素（如氧氣濃度和pH值）對病毒介導(dǎo)的砷氧化過程的影響。這些發(fā)現(xiàn)為理解根際病毒在砷生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用提供了重要依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析了水稻根際和大田土壤的時間序列宏基因組，揭示了根際病毒如何通過溶原性（lysogeny）介導(dǎo)微生物代謝重編程，從而增強(qiáng)砷（As）氧化的過程。根際中砷氧化微生物的相對和絕對豐度顯著高于大田土壤，且與病毒相關(guān)的砷氧化微生物在根際的豐度是大田土壤的兩倍。根際顯著增強(qiáng)了溶原性病毒的豐度，降低了裂解性病毒的豐度。溶原性病毒的豐度與砷氧化微生物的豐度呈正相關(guān)，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了溶原性病毒在促進(jìn)砷氧化中的關(guān)鍵作用。根際病毒顯著富集了與砷氧化和磷代謝相關(guān)的輔助代謝基因（AMGs），這些基因在根際的豐度在水稻伸長階段達(dá)到峰值。這些AMGs包括砷氧化酶基因（如arxS、arsH、aioB）和磷代謝基因（如phnK、phnL、phnM、pstS、ugpC、RegX3、phoP），這些基因通過病毒介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）增強(qiáng)了微生物的砷氧化能力。根際環(huán)境中氧氣濃度的增加顯著增強(qiáng)了病毒介導(dǎo)的砷氧化過程。根際中的氧氣濃度比大田土壤高出約100μmol/L。根際環(huán)境中的pH值降低、碳源和磷水平的增加也促進(jìn)了病毒介導(dǎo)的砷氧化過程。這些環(huán)境因素通過影響病毒和宿主微生物的相互作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了砷氧化效率。

圖1、根際和塊狀土壤中已鑒定病毒的As生物轉(zhuǎn)化、As轉(zhuǎn)化基因、As轉(zhuǎn)化微生物和As轉(zhuǎn)化微生物概述。a）實(shí)驗(yàn)設(shè)計和生物信息學(xué)工作流程。生物信息學(xué)工作流程是使用BioRender.com創(chuàng)建的。b）與塊狀土壤相比，根際As（III）比例的相對變化。c）與塊狀土壤相比，根際As轉(zhuǎn)化基因的富集率。d）根際和大塊土壤中鑒定出病毒的氧化砷微生物的豐度（上）和鑒定出病毒的還原性微生物的豐度（下）。e）與As氧化和As還原微生物相關(guān)的病毒的分布（上升）和分類（下降）。f）與大塊土壤相比，總體和病毒相關(guān)的氧化砷微生物的豐度與根際As（III）比例的相對變化之間的相關(guān)性。

圖2、與根際和塊狀土壤中轉(zhuǎn)化As微生物相關(guān)的病毒的生活方式。參與As氧化（a）和As還原（b）、病毒整合酶基因（c）以及As氧化和還原的病毒與宿主豐度比（d）的溶原和裂解病毒豐度分布。a-c（右），d（左）使用雙側(cè)Welch t檢驗(yàn)（n=50）確定根際和塊狀土壤之間的統(tǒng)計顯著性。c（左），d（右）使用雙側(cè)學(xué)生t檢驗(yàn)（n=50）確定根際土壤和塊狀土壤之間的統(tǒng)計顯著性。

圖3、根際和塊狀土壤中AMG和相應(yīng)宿主微生物的剖面。a）與根際As-oxidizing微生物相關(guān)的病毒基因的富集分析。使用Wald檢驗(yàn)確定統(tǒng)計顯著性。每個圓圈代表一個基因，顏色表示它所屬的代謝途徑。右圖顯示了這些代謝途徑中富集基因的數(shù)量。b）根際AMGs途徑與塊狀土壤的富集比。c）與根際As-氧化微生物相關(guān)的富集AMG的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。pTM評分衡量整個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。pLDDT在0-100范圍內(nèi)顯示為每原子置信度，其中值越高表示置信度越高。d）根際和塊狀土壤中的氧化性AMG豐度。e）根際和塊狀土壤中具有氧化AMG的屬水平宿主微生物的豐度和組成。f）P代謝AMG在根際和塊狀土壤中的豐度。g根際和塊狀土壤中P代謝AMG在屬水平上的宿主微生物的豐度和組成。

圖4、病毒介導(dǎo)的As-oxidizing基因在根際水平轉(zhuǎn)移的剖面圖。a）HGT從病毒到宿主的As-oxidizing基因的系統(tǒng)發(fā)育起源。As-oxidizing基因的表型相關(guān)性用顏色表示，并使用標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)（SBS）評估統(tǒng)計支持（n=1000）。b）與塊狀土壤相比，病毒介導(dǎo)的HGT在根際氧化基因的富集率。c）與塊狀土壤相比，根際受體微生物的富集率拷貝。d）病毒介導(dǎo)的HGT對受體微生物富集率的影響。

圖5、病毒溶原性對根際微生物As氧化貢獻(xiàn)的計算機(jī)驗(yàn)證概述。a)基于標(biāo)記基因?yàn)?93個物種水平的As-氧化MAG構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹。樹枝根據(jù)門分類進(jìn)行著色。兩個內(nèi)環(huán)用顏色表示與As-氧化和P代謝途徑相關(guān)的AMG。下一個外環(huán)顯示根際MAGs的平均相對豐度。GEM模擬溶原（有溶原病毒）和宿主細(xì)胞（無溶原病毒）狀態(tài)下根際As-氧化MAGs的As-氧化通量。兩種狀態(tài)之間的As-氧化通量之差除以溶原狀態(tài)下的As氧化通量，表示每個MAG的病毒對As氧化的貢獻(xiàn)比例。該比例顯示在最外層的環(huán)層中。右側(cè)條形圖顯示了As-氧化通量由病毒輔助或病毒啟用的MAG的數(shù)量。b)用于量化病毒對微生物As氧化貢獻(xiàn)的示意圖。c)根際環(huán)境變化對病毒對溶原中As氧化貢獻(xiàn)的影響。根際環(huán)境因素的上限通量與溶原與宿主細(xì)胞中總砷氧化通量之比之間的關(guān)系。根際環(huán)境因素（如氧、碳源、無機(jī)P、有機(jī)P和H+）增強(qiáng)了溶原病毒對溶原中As氧化的促進(jìn)。d)門水平的分類群組成，其中溶原病毒對As氧化的促進(jìn)受到根際環(huán)境因素的增強(qiáng)。

結(jié)論與展望

根際是涉及砷（As）的代謝活動的關(guān)鍵熱點(diǎn)。雖然最近的研究表明土壤病毒具有許多功能，但關(guān)于它們對根際過程的定量影響，仍有許多東西被忽視。研究人員分析了水稻的時間序列宏基因組。根際和散裝土壤，探索病毒如何介導(dǎo)根際作為生物地球化學(xué)。研究觀察到根際有利于與氧化微生物相關(guān)的病毒中的溶原性，As氧化與這些微生物宿主的普遍存在呈正相關(guān)。結(jié)果表明，這些溶原病毒富集As氧化和磷共代謝基因以及As氧化酶介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）。使用基因組規(guī)模代謝模型（GEM）進(jìn)行計算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)體外驗(yàn)證估計，根際溶原病毒貢獻(xiàn)了高達(dá)25%的微生物As氧化。Unisense微電極系統(tǒng)提供了高分辨率的土壤微環(huán)境數(shù)據(jù)。通過測量根際和大田土壤中的氧氣、pH和氧化還原電位，研究人員能夠驗(yàn)證根際環(huán)境對砷氧化的促進(jìn)作用。這些數(shù)據(jù)支持了論文中關(guān)于根際病毒通過代謝重編程增強(qiáng)砷氧化的結(jié)論。揭示了根際環(huán)境因素（如氧氣濃度和pH值）對病毒介導(dǎo)的砷氧化過程的影響。這些發(fā)現(xiàn)為理解根際病毒在砷生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用提供了重要依據(jù)。這些發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)了對植物-微生物組-病毒組相互作用的理解，并強(qiáng)調(diào)了根際病毒在可持續(xù)農(nóng)業(yè)中改善土壤健康的潛力。本研究揭示了根際病毒在砷生物地球化學(xué)循環(huán)中的重要作用，拓展了我們對植物-微生物-病毒相互作用的理解。研究結(jié)果為開發(fā)基于病毒的生物修復(fù)策略提供了科學(xué)依據(jù)，有助于減輕砷污染對環(huán)境和人類健康的威脅。通過調(diào)節(jié)根際環(huán)境條件（如氧氣濃度、pH值和碳源供應(yīng)），可以進(jìn)一步優(yōu)化病毒介導(dǎo)的砷氧化過程，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)和土壤健康提供新的解決方案。