病毒是地球数量最多的生物实体，其与宿主、环境之间的相互作用关系一直是科学研究的热点话题。
其实，病毒的复杂生态作用就隐藏在我们脚下的土壤中！在探索土壤生态系统时，存在一个容易被忽视的群体：土壤病毒。这些不可见的类生命体居住在土壤的微观世界中，对塑造土壤微生物功能和生态系统起着至关重要的作用，它们影响着养分循环、污染物转化、植物健康乃至气候变化。然而，目前对土壤病毒组的研究在空间尺度和生物群落覆盖方面都很有限。
近日，我院合成生物研究所（简称研究所）的马斌研究员团队在《Nature Ecology & Evolution》发表新作“Biogeographic patterns and drivers of soil viromes”。他们通过对全球1800多个土壤宏基因组数据进行分析，构建获得超过8万条病毒序列（种水平），首次探究了全球尺度下土壤病毒的生物地理分布格局与驱动因子，对于阐明土壤病毒生态学以及将病毒全面纳入土壤生态系统模型有极为的重要意义。
包罗复杂的土壤病毒——全球土壤病毒组数据集（GSV）
“目前有关病毒生物地理学的知识多源自海洋系统，其实表层海洋条件相对较窄的环境梯度创造了相似度较高的病毒群。相比之下，土壤病毒会经历来自温度、水供应、氧气和食物资源等更多极端的环境变化，同时由于土壤异质性和物理限制等原因，扩散的机会也更少，这就导致土壤病毒间的相互作用更为独特和复杂，并观察到比在海洋系统中更大的遗传分化。”王轶玲博士说。
然而，由于缺乏通用的病毒标记、土壤宏基因组样本有限且地理区域分布不均，目前在系统分析土壤病毒的生物地理模式、考察其与整个微生物群落的关系、深入地探究驱动因子研究等方面都有很大的难度。
“我们开发了全球土壤病毒组（GSV）数据集，囊括了来自六大洲约30Tb的测序数据。这些样本跨越了多种生物群落，具有不同的植被类型、生物气候特征和土壤性质。”马斌研究员介绍道。团队利用数据集对土壤病毒组的生物地理格局进行了全面综合，分析了全球1824个土壤元基因组，发现了80750个DNA病毒的部分基因组，其中96.7%的病毒在分类学上未标注。“数据库的构建标志着对土壤病毒‘暗物质’的大规模探索。”
此外，团队就12000余对病毒-宿主关系进行了预测和鉴定，为理解这些微生物间相互作用提供了新的视角，也为噬菌体疗法在未来治疗传染性疾病方面的应用提供了全新路径。
在研究过程中，团队通过构建全球土壤病毒数据库，系统性地揭示了全球土壤病毒多样性的生态分布，为理解土壤生态系统中微观生命的复杂性提供了新的视角。
“全球土壤病毒组数据集的开发将有助于全球土壤建模工作，促进病毒对生态系统健康、农业生产力等方面的影响研究。”马斌研究员表示，团队的研究成果解析了土壤中病毒群落的多样性和其生态分布规律及群落组装机制，为未来深入探讨土壤病毒生态功能奠定了坚实的基础。
揭秘土壤病毒群落生态的奥秘
不同生物群落的土壤病毒多样性和群落结构的生物地理学特征各不相同。本项目着重关注病毒群落形成的两大影响机制：环境因子和生物相互作用。
在环境因子方面，团队发现病毒群落随环境梯度变化而显著变化，其中土壤质地和湿度是影响病毒多样性的重要因素，涉及到土壤营养状态和资源可用性，并影响宿主的生长以及病毒与宿主间的相互作用。温度则直接影响噬菌体在土壤中的存活。“与细胞生物不同，许多土壤病毒体积只有30-80nm，这可能导致它们对微环境变化和土壤矿物相互作用比其他微生物群更敏感。同时病毒因无法主动移动，受到土壤湿度、有机碳和质地等各种因素的影响也更大”，王轶玲博士解释道。
有趣的是，实验研究发现病毒的多样性与微生物的多样性并不一致，农用地、人工表面和裸地生态系统的土壤病毒多样性较高，森林和灌木林土壤中的病毒多样性反而较低。
同时，研究结果还证明生物群落类型对土壤病毒群落的组成有很大影响，病毒多样性与整个土壤的组成谱系息息相关。为了阐明病毒之间的共存模式，团队构建起病毒共存网络，发现了病毒间的复杂互动，但这种病毒间共存关系呈现随机性。
