黃文文,張全國(guó)

1 河南科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,新鄉(xiāng) 453003 2 北京師范大學(xué)生物多樣性與生態(tài)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875

病毒是地球上數(shù)量最多的生物類群[1],僅海洋中的病毒樣粒子(virus-like particles,VLPs)就超過1030個(gè)[2]。有若干研究證實(shí)了海洋病毒是海洋藻類和細(xì)菌死亡率的主要貢獻(xiàn)者、微生物多樣性維持的關(guān)鍵影響因素和海洋系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)因素[2—3]。如海洋生態(tài)系統(tǒng)中,光合作用固定的碳約有50%由于“病毒轉(zhuǎn)軌”作用而未能流入更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)；病毒轉(zhuǎn)軌過程中新產(chǎn)生的微生物有一半被病毒裂解,因此,約25%的固定碳由于病毒裂解而以CO2形式釋放[4]。

人們對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)中病毒的認(rèn)識(shí)相對(duì)有限[5]。目前,土壤中被鑒定出的病毒種類僅約27000種[6],且大多數(shù)土壤病毒粒子被證實(shí)為噬菌體[7]。土壤噬菌體與土壤細(xì)菌群落組裝和功能具有相關(guān)性[8]——它們通過捕食或寄生的方式控制細(xì)菌的數(shù)量,通過轉(zhuǎn)導(dǎo)的方式促進(jìn)細(xì)菌之間的基因轉(zhuǎn)移,改變土壤環(huán)境中細(xì)菌的種類和多樣性[9—11]。然而,也有學(xué)者認(rèn)為,盡管一些針對(duì)土壤中特定細(xì)菌(如根瘤菌和植物病原菌)的噬菌體的研究證實(shí)了噬菌體捕食作用對(duì)細(xì)菌群落動(dòng)態(tài)的影響,但土壤中90%以上的病毒粒子似乎都被強(qiáng)烈地吸附在土壤表面[3],因此,土壤病毒的捕食作用對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和活性的總體影響仍不明確[12]。

土壤病毒多度因受土地利用方式[13—14]、土壤類型[12]、土壤濕度[15—17]和植被類型[7]等因素的影響而差異顯著,如黃土平原土壤中每克干土的VLPs可達(dá)1.97×1010個(gè)[18],而熱帶沙漠土壤中僅有2.2×103個(gè)[19]。干燥條件下土壤病毒更容易失活[3],土壤病毒多度往往隨含水量增加而上升[17], 但水分增加的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)加快進(jìn)而對(duì)病毒產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。因此,盡管土壤含水量是驅(qū)動(dòng)土壤細(xì)菌和病毒多度變化的重要因素[15—16],但現(xiàn)有報(bào)道展示的數(shù)據(jù)還不足以明確其與土壤病毒多度的關(guān)系[7]。

土壤含水量可通過多種途徑影響土壤異養(yǎng)呼吸[20],而病毒對(duì)細(xì)菌的下行控制作用可能是其中之一,如土壤含水量驅(qū)動(dòng)土壤病毒-細(xì)菌多度比發(fā)生變化的過程[15—16],會(huì)影響病毒裂解細(xì)菌時(shí)釋放的不穩(wěn)定性碳的含量,進(jìn)而影響到微生物生物量和土壤呼吸[7]。此前,施加病毒滅活劑的研究發(fā)現(xiàn),由于病毒對(duì)細(xì)菌下行控制作用的存在,病毒多度的降低可以增加細(xì)菌多度進(jìn)而加速土壤異養(yǎng)呼吸[21]；但在另一項(xiàng)碳添加的微宇宙實(shí)驗(yàn)中,土壤新病毒的產(chǎn)生只是源于一部分宿主細(xì)菌,土壤呼吸速率隨病毒多度的增加而增加[22]。因此,病毒既可通過降低細(xì)菌數(shù)量而減緩?fù)寥喇愷B(yǎng)呼吸,也可通過增加細(xì)菌群落的更新速率(活躍狀態(tài)細(xì)菌數(shù)量上升)而加速土壤呼吸。然而,長(zhǎng)期以來,人們卻忽略了土壤微生物(細(xì)菌、古菌、真菌、原生動(dòng)物和線蟲)的捕食者和寄生者——病毒——在水分引起土壤異養(yǎng)呼吸變化過程中的作用。本研究比較不同含水量條件下土壤細(xì)菌、病毒以及異養(yǎng)呼吸速率的變化規(guī)律,推斷病毒對(duì)細(xì)菌的下行控制作用是否受水分條件的影響,從土壤細(xì)菌和病毒多度與呼吸速率的關(guān)系,推斷病毒下行控制影響土壤呼吸速率的機(jī)制,以期了解含水量對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中病毒下行控制作用的影響,為陸地生態(tài)系統(tǒng)中病毒-細(xì)菌關(guān)系的相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤采集

以北京師范大學(xué)生物園內(nèi)試驗(yàn)田(39°57′43″ N,116°21′21″ E)的土壤作為供試土壤。于2020年12月6日,將地面0—15 cm處的土壤去除凋落物和較大砂礫后,充分混勻,過2 mm篩,帶回實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)田年均溫度為11—13℃,年均降水量約644 mm,土壤類型為褐土。生長(zhǎng)季所種作物為玉米(Zeamays)。玉米收獲后,地上部分有狗尾草(Setariaviridis)、薊(Cirsiumjaponicum)和牽牛(Pharbitisnil)等零星生長(zhǎng)。本研究采集土壤樣品時(shí),上述植物均已凋亡。

1.2 土壤培養(yǎng)試驗(yàn)

經(jīng)烘干法確定土壤含水量后,所采土壤樣品被分裝至96個(gè)250 mL的藍(lán)蓋瓶中,每個(gè)微宇宙瓶裝入相當(dāng)于200 g干重的鮮土,置于26 ℃的培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)12 d,以便土壤微生物有充足的時(shí)間在新環(huán)境中恢復(fù)生長(zhǎng)。預(yù)培養(yǎng)期間,每2 d校正一次水分,使每個(gè)微宇宙瓶的土壤含水量保持在13%(接近原土壤含水量)。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后,將96個(gè)微宇宙瓶隨機(jī)分為3組,并參考Zhang和Zhang的研究[23]將土壤含水量設(shè)置為3個(gè)水平：恒定低水分處理(土壤含水量為13%,接近田間持水量的39%)；恒定高水分處理(含水量為26%,接近田間持水量的78%)和波動(dòng)水分處理(土壤含水量在26%—13%之間波動(dòng)) (圖1),設(shè)置水分處理的這一天記作培養(yǎng)試驗(yàn)第0天。除測(cè)定土壤呼吸的階段之外(見1.3),微宇宙開放瓶蓋培養(yǎng)。整個(gè)試驗(yàn)期間,低水分和高水分處理的土壤微宇宙,每2 d校正一次含水量；波動(dòng)水分處理的微宇宙,在第0天將水分調(diào)至26%后,每2 d測(cè)定一次,當(dāng)平均含水量低于13%時(shí),將所有微宇宙含水量調(diào)至26%(水分校正時(shí)間在第0天和第18天)。試驗(yàn)過程中對(duì)微宇宙進(jìn)行了4次破壞性采樣(采樣時(shí)間在培養(yǎng)試驗(yàn)的第2、16、22天和第34天,對(duì)應(yīng)的波動(dòng)水分處理的土壤含水量分別為26%、13.33%、26%和17.49%),每次破壞性采樣時(shí),3個(gè)水分處理各有8個(gè)微宇宙被采樣。本試驗(yàn)對(duì)時(shí)間因素的研究采用的是空間代替時(shí)間策略,在不同時(shí)間點(diǎn)上破壞性取樣不同的土壤微宇宙。

1.3 土壤呼吸測(cè)定

每個(gè)土壤微宇宙在破壞性取樣之前進(jìn)行了土壤呼吸測(cè)定。每次測(cè)定土壤呼吸時(shí),微宇宙密閉培養(yǎng)2 d或4 d——使用橡膠瓶塞封閉瓶口。注射器針頭連接CO2濃度分析儀后,刺透橡膠瓶蓋,對(duì)閉蓋培養(yǎng)前和培養(yǎng)后的土壤微宇宙空氣中CO2濃度進(jìn)行測(cè)定。通過向微宇宙中裝入已知體積的干土來估計(jì)每個(gè)土壤微宇宙的氣體體積。每次土壤呼吸測(cè)定之后,立即進(jìn)行相應(yīng)的破壞性采樣。

1.4 土壤細(xì)菌和病毒提取

每個(gè)土壤樣品分別提取三份細(xì)菌和病毒懸浮液。土壤細(xì)菌的提取采用密度梯度離心法[24]。將0.2 g鮮土、0.44 g 聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpolypyrrolidone, PVPP)和800 μL無菌水加入1.5 mL離心管,高速渦旋1 min,4℃ 100×g離心2 min,吸取350 μL離心后的土壤懸浮液至裝有700 μL密度梯度分離液OptiPrep (1.32 g/mL)的2 mL離心管上層,4℃ 13000×g離心30 min后,去除375 μL上層上清液,將剩余的675 μL液體轉(zhuǎn)移至新的2 mL離心管中,加1350 μL無菌水后,將二者輕輕渦旋混勻,4℃ 13000×g離心20 min, 去除1700 μL上層懸浮液,以洗去菌液中的游離DNA碎片,余下的液體在4℃ 13000×g離心10 min,棄除殘余液體后,向離心管內(nèi)加入1.5 mL 1% TE緩沖液,振蕩混勻后,將細(xì)菌提取液轉(zhuǎn)移至凍存管,并加入50%丙三醇,振蕩10 s,使用液氮速凍后儲(chǔ)存于- 80 ℃條件下待用。

土壤病毒提取在Ashelford等[25]和 Williamson等[9]方法的基礎(chǔ)上略作修改。向盛有5 g鮮土和20顆無菌鋼珠的50 mL離心管加入20 mL 1%的檸檬酸鉀溶液(每1L檸檬酸鉀溶液中,含10 g C6H5K3O7· H2O,1.44 g Na2HPO4· 7H2O,0.24 g KH2PO4,pH=7；溶液配制后儲(chǔ)存于4℃條件下),高速渦旋1 min后,在200 rpm的條件下振蕩10 min,轉(zhuǎn)移至4℃的黑暗環(huán)境中孵育15 min,以實(shí)現(xiàn)病毒粒子和土壤團(tuán)聚體的物理分散。4℃ 2000×g離心30 min后,將此時(shí)獲取的上清液過0.22 μm孔徑的無菌針頭式過濾器去除細(xì)菌和土壤小顆粒。將濾液轉(zhuǎn)移至凍存管,經(jīng)液氮速凍后儲(chǔ)存于- 80℃冰箱。

1.5 土壤細(xì)菌和病毒計(jì)數(shù)

使用熒光染料SYBR Green I對(duì)土壤細(xì)菌細(xì)胞和病毒樣粒子進(jìn)行染色[26]后,通過熒光顯微鏡對(duì)土壤細(xì)菌和病毒進(jìn)行計(jì)數(shù)[18]。取200 μL解凍后的土壤細(xì)菌提取液,加入1800 μL無菌水稀釋；用無菌鑷子夾取25 mm直徑,0.8 μm孔徑的NC膜放在0.45 μm孔徑的抽濾承載裝置上,用無菌水將NC膜完全濕潤(rùn)后,再夾取直徑25 mm,孔徑0.2 μm的Isopore濾膜置于NC膜上,使二者緊密貼合,連接過濾柱,將稀釋過的細(xì)菌提取液加入抽濾裝置,打開抽濾泵直至菌液抽濾完成。

取900 μL解凍后的土壤病毒液,加入100 μL 10 × DNase I反應(yīng)緩沖液和2 μL DNase I(2500 U/mL),顛倒混勻,置于37 ℃條件下,以去除病毒液中的游離DNA,30 min后,加入35 μL 0.5 mol 的EDTA終止反應(yīng)。取200 μL 經(jīng)DNase I處理過的土壤病毒液,加入1800 μL無菌水稀釋。用無菌鑷子夾取NC膜放在抽濾承載裝置上,待其完全濕潤(rùn)后,夾取直徑25 mm,孔徑0.02 μm 的Al2O3Anodisc濾膜置于NC膜上,連接過濾柱,加入稀釋過的病毒提取液,打開抽濾泵直至病毒液抽濾完成。

當(dāng)細(xì)菌或病毒樣品抽濾完成后,加500 μL 5 × (原液稀釋2000倍)的SYBR Green I熒光染料,黑暗中染色20 min,將染料抽濾干凈,在抽濾泵開著的情況下,用移液槍吸取1mL無菌水清洗抽濾裝置3—5次,細(xì)菌或病毒濾膜制作完成。

在干凈的載玻片中央加30 μL熒光抗淬滅劑(每1 mL熒光抗淬滅劑含500 μL PBS, 500 μL丙三醇,0.001—0.003 g對(duì)苯二胺),用無菌鑷子夾取細(xì)菌或病毒濾膜置于其上,再加30 μL抗淬滅劑在細(xì)菌或病毒濾膜上,蓋上蓋玻片,輕輕按壓至無氣泡。細(xì)菌和病毒裝片制作完成后,立即使用熒光顯微鏡對(duì)其進(jìn)行拍照,它們?cè)?50—490 nm波長(zhǎng)的藍(lán)光激發(fā)下呈亮綠色。每個(gè)玻片至少隨機(jī)拍攝10個(gè)視野。細(xì)菌和病毒多度使用ZEISS ZEN 3.0軟件計(jì)數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

在 R[27]環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本試驗(yàn)在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)土壤微宇宙進(jìn)行破壞性取樣,因此將不同時(shí)間點(diǎn)上的土壤微宇宙視為獨(dú)立樣本進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分析前對(duì)細(xì)菌和病毒多度進(jìn)行以10為底的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化,病毒-細(xì)菌多度比(virus-to-bacteria ratio, VBR)做平方根轉(zhuǎn)化。對(duì)于波動(dòng)水分處理的土壤微宇宙,時(shí)間可能不是一個(gè)有意義的解釋變量,因?yàn)槠渥饔每赡芘c水分變化的作用相混淆。因此,以采樣時(shí)間作為隨機(jī)效應(yīng),使用線性混合效應(yīng)模型(lmer)[28]分析土壤濕度對(duì)土壤呼吸速率、細(xì)菌多度、病毒多度和VBR值的影響(gaussian family),并使用“l(fā)smeans”包對(duì)不同水分處理進(jìn)行多重比較。用單因素方差分析比較不同時(shí)間點(diǎn)土壤微宇宙的呼吸速率、細(xì)菌和病毒多度的差異。

土壤含水量、細(xì)菌多度、病毒多度和土壤呼吸速率這些變量之間可能存在著相對(duì)復(fù)雜的影響途徑,比如土壤含水量可以通過物理化學(xué)過程直接影響土壤呼吸,也可能通過改變細(xì)菌多度進(jìn)而影響呼吸速率。受限于變量數(shù)量和實(shí)驗(yàn)樣本量,本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)無法使用結(jié)構(gòu)方程模型進(jìn)行分析,因此,本研究使用了三個(gè)遞進(jìn)式的廣義線性模型(glm)[28]對(duì)上述變量進(jìn)行分析：第一,分析觀測(cè)含水量如何影響細(xì)菌多度；第二,分析觀測(cè)含水量和細(xì)菌多度如何影響病毒多度；第三,分析觀測(cè)含水量、細(xì)菌多度和病毒多度如何影響土壤呼吸。用“car”提供的“Anova”功能(Type II test)來估計(jì)解釋變量影響的顯著性。

2 結(jié)果

2.1 土壤細(xì)菌多度、病毒多度以及土壤異養(yǎng)呼吸速率對(duì)土壤含水量變化的響應(yīng)

在三種水分處理下,土壤細(xì)菌多度皆高于病毒多度。相較于更接近自然狀況的低含水量(13%)處理,高水分處理和波動(dòng)水分處理都未能顯著改變細(xì)菌多度,但顯著增加了病毒多度(P<0.001),也相應(yīng)地增加了病毒-細(xì)菌多度比(P=0.0026) (表1)。在低水分處理下,不同時(shí)間點(diǎn)采樣的土壤微宇宙的細(xì)菌多度無顯著差異,但病毒多度顯著降低(F3,28=10.74,P<0.001)。在高水分處理下,細(xì)菌和病毒多度并非隨時(shí)間保持恒定,而是表現(xiàn)出了動(dòng)蕩的信號(hào)：第16天細(xì)菌多度顯著高于第2天(P=0.0211),第22天則極顯著降低(P<0.001),在第34天恢復(fù)到與第2天無顯著差異(P=0.9849)；病毒多度在第2、16天和第22天之間逐漸增加,而在第34天顯著低于第16(P=0.0205)和22天(P=0.0121),病毒-細(xì)菌多度比則在第22天為最高(F3,28=7.88,P<0.001)。波動(dòng)水分處理下,土壤細(xì)菌和病毒多度均未隨時(shí)間推移表現(xiàn)出明顯的變化(圖1)。

高水分和波動(dòng)水分處理的土壤呼吸速率皆極顯著高于低水分處理(P<0.001) (表1)。隨時(shí)間推移,低水分處理的土壤微宇宙呼吸速率極顯著降低(F3,28=86.18,P<0.001),高水分處理的土壤微宇宙呼吸速率先升高后降低(F3,28=34.97,P<0.001),波動(dòng)水分處理的土壤微宇宙呼吸速率則與土壤含水量的變化緊密相關(guān)(F3,28=64.58,P<0.001)(圖1)。

表1 土壤細(xì)菌多度、病毒多度、病毒-細(xì)菌多度比和呼吸速率對(duì)不同水分處理的響應(yīng)

圖1 低水分、高水分和波動(dòng)水分處理土壤微宇宙的細(xì)菌多度、病毒多度和呼吸速率隨時(shí)間的變化(數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=8)Fig.1 Changes of soil bacterial abundance, viral abundance and respiration rate of the low-, high- and fluctuating-water content microcosms over time (Data show mean±SE, n=8)

2.2 土壤呼吸速率與土壤含水量、細(xì)菌多度和病毒多度之間的關(guān)系

由表2可知,土壤含水量與病毒多度呈顯著正相關(guān)(P<0.001),而與細(xì)菌多度無顯著的相關(guān)關(guān)系(P=0.9173)。土壤含水量(P<0.001)、細(xì)菌多度(P=0.0045)和病毒多度(P<0.001)均與土壤呼吸速率具正相關(guān)關(guān)系。

表2 土壤呼吸速率、含水量、細(xì)菌多度、病毒多度之間的相關(guān)性

3 討論

不同環(huán)境中病毒多度存在較大差異,土壤中VBR變幅更大[29],一些關(guān)于土壤生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)病毒多度高于細(xì)菌多度[9, 18]；但也有細(xì)菌多度高于病毒多度的情況[10, 16, 19, 25]。本研究的結(jié)果與后者相一致(表1),這一結(jié)果支持此前學(xué)者提出的觀點(diǎn)：農(nóng)田土壤可能受施肥[30]和根際效應(yīng)[6,10,25,31]的影響,而表現(xiàn)出細(xì)菌多度高于病毒多度的現(xiàn)象。

3.1 土壤含水量對(duì)細(xì)菌多度、病毒多度和異養(yǎng)呼吸速率的影響

土壤病毒是否會(huì)對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生明顯的下行控制,這一基本問題目前并無明確答案[31]。一般認(rèn)為,在相對(duì)干旱的土壤中(如本研究的供試土壤),含水量上升會(huì)促進(jìn)微生物生長(zhǎng)[16,32]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤水分上升并不會(huì)增加細(xì)菌多度,與此同時(shí),病毒多度上升,且病毒-細(xì)菌比例上升(表1,圖1),這暗示著在高水分土壤中病毒造成的下行控制可能會(huì)有效地阻止細(xì)菌數(shù)量上升；而在低水分處理中,更低的病毒-細(xì)菌比例暗示著更弱的下行控制。這一結(jié)果和資源充足環(huán)境中下行控制更重要的主流觀點(diǎn)是一致的[2],即病毒造成多么重要的下行控制很可能依賴于環(huán)境資源水平[7]。當(dāng)然,土壤生境中病毒和細(xì)菌的關(guān)系可能比本文描述的要復(fù)雜,特別是溫和性噬菌體對(duì)細(xì)菌是否會(huì)造成下行控制[33],以及當(dāng)這種下行控制作用受到環(huán)境因子影響時(shí)所表現(xiàn)出的顯著差異——如Virginia一處山地土壤中存在著病毒對(duì)細(xì)菌的下行控制作用,而濕地土壤中則沒有[16]。

值得注意的是,土壤水分的改變不一定僅通過改變細(xì)菌而間接影響病毒。土壤干燥會(huì)影響病毒失活的速率,尤其是干燥程度低于某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí),水分蒸發(fā)和土壤濕度過低,會(huì)導(dǎo)致病毒失活[3],如I型脊髓灰質(zhì)炎病毒在18%—2.9%水分含量之間的失活率基本相同,但當(dāng)水分含量在1.2%—0.6%之間時(shí),病毒的失活率顯著增加[34]。本研究中病毒多度的變化和上述研究相似：土壤含水量在26%—13%之間波動(dòng)時(shí),病毒多度無顯著差異；但當(dāng)土壤濕度持續(xù)在13%時(shí)(兩次校正水分的時(shí)間段內(nèi),土壤含水量維持在10%—13%),水分蒸發(fā)可能會(huì)顯著影響病毒多度(圖1)。

本研究發(fā)現(xiàn),土壤含水量與土壤呼吸速率密切相關(guān)(表2)：在恒定低水分處理的土壤微宇宙中,隨時(shí)間推移,土壤呼吸速率顯著下降,這可能是因?yàn)楫?dāng)土壤干燥到一定程度后,微生物的生理狀況以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在土壤孔隙中的擴(kuò)散受到限制,土壤微生物的代謝活動(dòng)降低[35],土壤團(tuán)聚體和土壤膠體的結(jié)合更加緊密,因此,大部分土壤有機(jī)質(zhì)難以被土壤微生物分解[36],從而抑制了土壤呼吸(圖1)；相較于過高或過低的土壤含水量,適中的含水量會(huì)獲得最高的土壤呼吸速率[37],在本研究的恒定高水分處理下,土壤呼吸出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),但總體而言,高水分處理下的土壤呼吸速率要顯著高于低水分和波動(dòng)水分處理(表1,圖1)。波動(dòng)水分處理下(本研究中波動(dòng)水分的處理與自然界中降水模式對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響高度相似)的土壤微宇宙,其呼吸速率與含水量變化趨勢(shì)一致(圖1),這一現(xiàn)象和“Birch效應(yīng)”[38]高度吻合,即突然的“降水”能增加土壤的呼吸速率[23]。

3.2 病毒-細(xì)菌關(guān)系對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸速率的影響

本研究中,土壤含水量、細(xì)菌多度和病毒多度都是呼吸速率的正向顯著預(yù)測(cè)變量(表2)?，F(xiàn)有研究表明,含水量和細(xì)菌多度對(duì)呼吸速率的作用比較明確[20],而病毒多度的作用尚無答案。一般認(rèn)為,病毒多度可能通過兩個(gè)途徑對(duì)呼吸速率產(chǎn)生影響：第一,病毒顆粒本身是呼吸過程的底物,但相較于細(xì)胞形態(tài)的生物質(zhì),病毒顆粒具有較低的碳含量[3],因此病毒多度通過此途徑影響呼吸速率的作用可能有限；第二,病毒對(duì)細(xì)菌的下行控制作用影響了土壤呼吸速率。宿主細(xì)菌被噬菌體裂解之后,釋放出病毒顆粒,并產(chǎn)生細(xì)胞碎片,增加了土壤中不穩(wěn)定性碳的含量,進(jìn)而增加了土壤微生物生物量和土壤呼吸[7]。本研究中,病毒多度的上升沒有造成細(xì)菌數(shù)量的明顯改變(表2),這可能是因?yàn)?盡管大多數(shù)的環(huán)境病毒都是噬菌體,但土壤生態(tài)系統(tǒng)中已知的2000多種噬菌體僅感染11個(gè)細(xì)菌門的宿主[7],且其中85%的噬菌體只感染γ變形菌門、厚壁菌門和放線菌門的細(xì)菌[39],因此,噬菌體裂解細(xì)菌的過程可能造成細(xì)菌群落中那些被病毒感染的種群處于活躍生長(zhǎng)階段(有更高的代謝速率和分解有機(jī)物的潛能)[11],而這些活躍著的病毒和細(xì)菌種群貢獻(xiàn)了大量的CO2流出[40]。當(dāng)然,更高的病毒多度意味著更高的微生物死亡率[41],亦即更快速的微生物群落更新,而更快的更新可能伴隨著群落物種組成的改變[7]。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn),相較于恒定低含水量,波動(dòng)含水量顯著增加了土壤病毒多度和土壤異養(yǎng)呼吸速率。恒定高含水量也顯著增加了土壤病毒多度,且病毒對(duì)細(xì)菌的下行控制作用增強(qiáng),阻止了土壤細(xì)菌多度的上升；此外,病毒多度的增加可能使土壤中受噬菌體影響的那部分細(xì)菌處于活躍生長(zhǎng)階段,從而增加了土壤異養(yǎng)呼吸速率。結(jié)果表明,土壤含水量對(duì)土壤病毒多度的變化產(chǎn)生了重要影響,并對(duì)病毒多度和細(xì)菌多度與土壤異養(yǎng)呼吸關(guān)系驅(qū)動(dòng)的過程做出了潛在貢獻(xiàn)。因此,土壤病毒對(duì)土壤微生物造成的下行控制可能是碳循環(huán)等生態(tài)過程的重要決定因素。

與水體病毒生態(tài)學(xué)的研究進(jìn)展相比,人們對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌及其噬菌體之間的相互作用知之甚少。本研究初步揭示了不同含水量對(duì)土壤中病毒和細(xì)菌關(guān)系變化的影響,以及生態(tài)系統(tǒng)功能對(duì)這種關(guān)系變化的反饋,擴(kuò)大了人們對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌-病毒關(guān)系的認(rèn)知,為土壤生態(tài)系統(tǒng)中病毒對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)影響等相關(guān)研究提供了理論支撐。

致謝：感謝圣路易斯華盛頓大學(xué)(Washington University in Saint Louis)梁小龍博士在土壤病毒裝片過程中給予的幫助。