长期不同施肥农田土壤中病毒多样性及其宏基因组学研究

Viruses are the most abundant organisms on the planet and are rich in unknown genetic resources. They are indispensable in the natural ecosystem and play an important role in regulating host diversity and community succession, mediating gene transfer between microbes, and promoting global biogeochemical cycles. Although study on viral ecology is gradually receiving attention, it is mainly focus on the aquatic environments such as oceans and lakes, but the terrestrial environments, especially viral ecology in farmland soil has only just begun and lags far behind the bacterial and fungal ecology. Thus, it is planned in this project to survey viral abundance, morphology, genetic diversity, and viral as well as host's metagenomes in a farmland soil subjected to different long-term fertilizations by using microscopes, random amplified polymorphic DNA (RAPD) and metagenomics techniques. By analyzing the relationships among fertilizations, soil environmental factors and viral as well as host's communities, we are aiming to reveal the distribution patterns of viruses in a farmland soil subjected to different long-term fertilizations, explore the mechanisms of viruses regulating their hosts' community succession, and provide data support for a comprehensive and systematic understanding of the ecological functions of soil microbes in agricultural ecosystem.

病毒是地球上数量最多的生物，富含未知遗传基因资源，在调控寄主多样性与群落演替、介导微生物之间基因转移和推动全球生物地球化学循环方面起着重要的作用，是自然生态系统不可或缺的重要组成部分。虽然病毒生态学研究正在逐渐受到关注，但主要集中在海洋和湖泊等水体环境，而较少研究陆地环境，特别是针对农田土壤病毒的认识才刚刚起步，远远滞后于农田土壤细菌和真菌。为此，本项目拟以长期不同施肥农田土壤样品为研究对象，采用荧光显微镜和透射电子显微镜研究病毒丰度和形态，采用随机扩增多态性DNA（RAPD）技术揭示病毒基因多样性，采用宏基因组学技术解析病毒及其寄主的宏基因组结构组成，分析施肥方式、土壤环境因子、病毒及其寄主群落结构之间的相互关系，揭示长期不同施肥条件下土壤病毒的群落分布规律，探讨土壤病毒调控寄主微生物群落结构演替的机制，为全面、系统地认识土壤微生物在农业生态系统中的生态功能提供数据支持。

微生物多样性研究是微生物生态学研究的一个重要内容，对于明晰微生物进化及其在生态系统中的作用具有重要意义。目前人们对微生物的认识主要来自细菌和真菌，而对数量巨大、分布广泛的病毒的认识非常有限。本项目采用显微镜、切向过滤系统以及宏基因组学技术开展了农田土壤病毒多样性及其宏基因组学研究。研究发现农田土壤中存在大量的病毒资源，并建立了可行的土壤病毒浸提-富集-纯化-基因组提取的技术方法。土壤病毒宏基因组物种分类分析注释到了3个病毒目和13个病毒科，其中，绝大部分病毒归属于有尾噬菌体目的长尾噬菌体科、肌尾噬菌体科和短尾噬菌体科。土壤病毒宏基因组功能基因分析注释到了多种关于蛋白质、硫、氮、磷等物质代谢和关于细胞壁、细胞膜、脂肪酸、细胞分裂等微生物结构和活性的功能分类单元。此外，初步比较分析不同施肥处理土壤的病毒宏基因组结构组成发现，其物种组成、功能基因的种类差异不大，但相对丰度存在一定差异。本项目研究结果将丰富微生物遗传基因资源，为农田生态系统病毒生态学的研究奠定基础，为认识土壤微生物在农业生态系统中的重要生态功能提供数据支撑。