研究简介：本研究主要对际环境中病毒如何通过溶原性（lysogeny）介导微生物代谢重编程，从而增强砷氧化的过程进行了研究。砷是一种高毒性类金属，广泛存在于土壤中，对全球数亿人构成健康威胁。砷的氧化态在毒性、迁移性和生物可利用性方面存在显著差异，As(V)的毒性较低且更难迁移。研究团队通过在100天的水稻生长季内，每隔两天对水稻根际和大田土壤进行时间序列采样，收集了丰富的样本数据。利用宏基因组测序技术，他们分析了病毒和微生物的组成和功能，揭示了根际中砷氧化微生物与病毒之间的复杂相互作用。研究发现，根际环境显著促进了病毒与砷氧化微生物之间的相互作用，尤其是溶原性病毒在增强砷氧化过程中发挥了关键作用。根际病毒不仅富集了与砷氧化和磷代谢相关的辅助代谢基因（AMGs），还介导了水平基因转移（HGT），增强了微生物的砷氧化能力。这些发现表明，根际病毒通过携带和转移关键基因，显著提升了微生物的砷氧化效率。此外，通过构建基因组规模代谢模型（GEMs）和体外实验验证，研究团队估计根际溶原性病毒对微生物砷氧化的贡献可达25%。这一发现不仅拓展了我们对植物-微生物-病毒相互作用的理解，还为开发基于病毒的生物修复策略提供了科学依据，有助于减轻砷污染对环境和人类健康的威胁。本研究揭示了根际病毒在砷生物地球化学循环中的重要作用，为可持续农业中改善土壤健康提供了新的视角和潜在的解决方案。

Unisense微电极系统的应用

Unisense微电极系统被用于测量土壤中的氧气、pH和氧化还原电位（Eh），以评估根际环境对砷氧化过程的影响。微电极（Unisense OXY25、ROX-N和pH-N）被插入到土壤样品中，以测量不同深度处的氧气、pH和氧化还原电位。了解根际环境的变化，并提供了高分辨率的土壤微环境数据，这对于理解根际病毒如何影响砷氧化过程至关重要。通过测量根际和大田土壤中的氧气、pH和氧化还原电位，能够验证根际环境对砷氧化的促进作用。这些数据支持了论文中关于根际病毒通过代谢重编程增强砷氧化的结论。揭示了根际环境因素（如氧气浓度和pH值）对病毒介导的砷氧化过程的影响。这些发现为理解根际病毒在砷生物地球化学循环中的作用提供了重要依据。

实验结果

分析了水稻根际和大田土壤的时间序列宏基因组，揭示了根际病毒如何通过溶原性（lysogeny）介导微生物代谢重编程，从而增强砷（As）氧化的过程。根际中砷氧化微生物的相对和绝对丰度显著高于大田土壤，且与病毒相关的砷氧化微生物在根际的丰度是大田土壤的两倍。根际显著增强了溶原性病毒的丰度，降低了裂解性病毒的丰度。溶原性病毒的丰度与砷氧化微生物的丰度呈正相关，进一步强调了溶原性病毒在促进砷氧化中的关键作用。根际病毒显著富集了与砷氧化和磷代谢相关的辅助代谢基因（AMGs），这些基因在根际的丰度在水稻伸长阶段达到峰值。这些AMGs包括砷氧化酶基因（如arxS、arsH、aioB）和磷代谢基因（如phnK、phnL、phnM、pstS、ugpC、RegX3、phoP），这些基因通过病毒介导的水平基因转移（HGT）增强了微生物的砷氧化能力。根际环境中氧气浓度的增加显著增强了病毒介导的砷氧化过程。根际中的氧气浓度比大田土壤高出约100µmol/L。根际环境中的pH值降低、碳源和磷水平的增加也促进了病毒介导的砷氧化过程。这些环境因素通过影响病毒和宿主微生物的相互作用，进一步增强了砷氧化效率。

图1、根际和块状土壤中已鉴定病毒的As生物转化、As转化基因、As转化微生物和As转化微生物概述。a）实验设计和生物信息学工作流程。生物信息学工作流程是使用BioRender.com创建的。b）与块状土壤相比，根际As（III）比例的相对变化。c）与块状土壤相比，根际As转化基因的富集率。d）根际和大块土壤中鉴定出病毒的氧化砷微生物的丰度（上）和鉴定出病毒的还原性微生物的丰度（下）。e）与As氧化和As还原微生物相关的病毒的分布（上升）和分类（下降）。f）与大块土壤相比，总体和病毒相关的氧化砷微生物的丰度与根际As（III）比例的相对变化之间的相关性。

图2、与根际和块状土壤中转化As微生物相关的病毒的生活方式。参与As氧化（a）和As还原（b）、病毒整合酶基因（c）以及As氧化和还原的病毒与宿主丰度比（d）的溶原和裂解病毒丰度分布。a-c（右），d（左）使用双侧Welch t检验（n=50）确定根际和块状土壤之间的统计显著性。c（左），d（右）使用双侧学生t检验（n=50）确定根际土壤和块状土壤之间的统计显著性。

图3、根际和块状土壤中AMG和相应宿主微生物的剖面。a）与根际As-oxidizing微生物相关的病毒基因的富集分析。使用Wald检验确定统计显着性。每个圆圈代表一个基因，颜色表示它所属的代谢途径。右图显示了这些代谢途径中富集基因的数量。b）根际AMGs途径与块状土壤的富集比。c）与根际As-氧化微生物相关的富集AMG的蛋白质结构。pTM评分衡量整个蛋白质结构的准确性。pLDDT在0-100范围内显示为每原子置信度，其中值越高表示置信度越高。d）根际和块状土壤中的氧化性AMG丰度。e）根际和块状土壤中具有氧化AMG的属水平宿主微生物的丰度和组成。f）P代谢AMG在根际和块状土壤中的丰度。g根际和块状土壤中P代谢AMG在属水平上的宿主微生物的丰度和组成。

图4、病毒介导的As-oxidizing基因在根际水平转移的剖面图。a）HGT从病毒到宿主的As-oxidizing基因的系统发育起源。As-oxidizing基因的表型相关性用颜色表示，并使用标准引导（SBS）评估统计支持（n=1000）。b）与块状土壤相比，病毒介导的HGT在根际氧化基因的富集率。c）与块状土壤相比，根际受体微生物的富集率拷贝。d）病毒介导的HGT对受体微生物富集率的影响。

图5、病毒溶原性对根际微生物As氧化贡献的计算机验证概述。a)基于标记基因为693个物种水平的As-氧化MAG构建了系统发育树。树枝根据门分类进行着色。两个内环用颜色表示与As-氧化和P代谢途径相关的AMG。下一个外环显示根际MAGs的平均相对丰度。GEM模拟溶原（有溶原病毒）和宿主细胞（无溶原病毒）状态下根际As-氧化MAGs的As-氧化通量。两种状态之间的As-氧化通量之差除以溶原状态下的As氧化通量，表示每个MAG的病毒对As氧化的贡献比例。该比例显示在最外层的环层中。右侧条形图显示了As-氧化通量由病毒辅助或病毒启用的MAG的数量。b)用于量化病毒对微生物As氧化贡献的示意图。c)根际环境变化对病毒对溶原中As氧化贡献的影响。根际环境因素的上限通量与溶原与宿主细胞中总砷氧化通量之比之间的关系。根际环境因素（如氧、碳源、无机P、有机P和H+）增强了溶原病毒对溶原中As氧化的促进。d)门水平的分类群组成，其中溶原病毒对As氧化的促进受到根际环境因素的增强。

结论与展望

根际是涉及砷（As）的代谢活动的关键热点。虽然最近的研究表明土壤病毒具有许多功能，但关于它们对根际过程的定量影响，仍有许多东西被忽视。研究人员分析了水稻的时间序列宏基因组。根际和散装土壤，探索病毒如何介导根际作为生物地球化学。研究观察到根际有利于与氧化微生物相关的病毒中的溶原性，As氧化与这些微生物宿主的普遍存在呈正相关。结果表明，这些溶原病毒富集As氧化和磷共代谢基因以及As氧化酶介导的水平基因转移（HGT）。使用基因组规模代谢模型（GEM）进行计算机模拟和实验体外验证估计，根际溶原病毒贡献了高达25%的微生物As氧化。Unisense微电极系统提供了高分辨率的土壤微环境数据。通过测量根际和大田土壤中的氧气、pH和氧化还原电位，研究人员能够验证根际环境对砷氧化的促进作用。这些数据支持了论文中关于根际病毒通过代谢重编程增强砷氧化的结论。揭示了根际环境因素（如氧气浓度和pH值）对病毒介导的砷氧化过程的影响。这些发现为理解根际病毒在砷生物地球化学循环中的作用提供了重要依据。这些发现增强了对植物-微生物组-病毒组相互作用的理解，并强调了根际病毒在可持续农业中改善土壤健康的潜力。本研究揭示了根际病毒在砷生物地球化学循环中的重要作用，拓展了我们对植物-微生物-病毒相互作用的理解。研究结果为开发基于病毒的生物修复策略提供了科学依据，有助于减轻砷污染对环境和人类健康的威胁。通过调节根际环境条件（如氧气浓度、pH值和碳源供应），可以进一步优化病毒介导的砷氧化过程，为可持续农业和土壤健康提供新的解决方案。