土壤微生物(尤其是细菌)参与并驱动了不同环境条件下的元素生物地球化学循环过程，而细菌周围通常伴有高丰度的病毒存在。据统计，全球病毒数量约为4.8×1031个，而土壤病毒丰度占全球病毒数量的10%左右，每克土壤中病毒丰度最高可达1010病毒粒子(virus-like particles,VLPs)。据大量研究报道，病毒作为地球上最神秘且种类和数量繁多的生物实体，在调控微生物多样性和群落结构、元素生物地球化学循环和生物进化中起到关键作用。一方面，土壤病毒群落能够通过感染和裂解宿主细胞对特定宿主细菌物种的丰度变化作出迅速响应，在此过程中释放出养分物质并影响微生物残体的生成，从而影响养分循环。另一方面，病毒能够介导宿主细胞间的水平基因转移来驱动宿主微生物进化，并通过病毒与宿主间从个体到群落水平上错综复杂的互作关系，影响微生物多样性和群落结构。因此，土壤病毒是土壤生态系统的重要组成部分，在维持土壤生态系统稳定和促进生物地球化学循环过程中发挥着至关重要的作用。
土壤具有丰富的空间结构(比表面积为1.1×106−8.0×106 cm2/g)，其与土壤水肥气热等要素共同塑造了土壤特有的微观异质性，为土壤病毒和其他微生物的活动创造了多重生态位(图1)，但与此同时，土壤孔隙结构的异质性往往会导致土壤中微生物运动受到限制。如土壤孔隙特征通过影响养分扩散、运移，导致不同微生境土壤中养分含量差异并影响微生物对养分的获取策略，进而影响土壤病毒与宿主细菌间的互作关系。此外，病毒自身不具备自主运动能力，其主要依靠气流、水流以及其他生物的携带在环境中被动迁移，并主要通过布朗运动在土壤团聚体表面的水膜中进行扩散。在水生环境中，病毒易于运移，且与易感菌株的相遇机会较大；而在土壤环境中，由于空间异质性以及土壤胶体等物质的吸附作用会限制病毒运移，进而限制了土壤病毒-宿主微生物间的互作过程。然而，自然土壤常处于非饱和水分状态，土壤部分孔隙间由于缺水，连通性受限，在土壤团粒结构中产生空间隔离，这也会导致土壤微生物(包括病毒)产生不同的进化轨迹，甚至使微生物种群出现平行进化，进而增加土壤微生物群落中的局部多样性并形成独特的微生物(病毒、细菌及真菌等)群落结构。
图1土壤团聚体微生物群落分布
近年来，土壤病毒愈发受到科研学者们的关注，了解病毒在土壤生态系统中的功能及作用机制具有重要意义。然而，由于土壤自身的复杂性及其动态变化特征，病毒在土壤生态系统中发挥的功能及其作用机理，一直是该研究领域的薄弱环节。目前，人们对土壤病毒类型、丰度、影响因素、作用机制及生态功能仍知之甚少。基于此，本文借助文献计量分析方法，系统梳理国内外关于土壤病毒相关研究进展，阐述该研究领域的现有方向及国内外研究热点，并根据当前需求，提出该研究领域的关键知识空白及未来研究展望，以期为该研究领域的探索和发展提供一定参考。
土壤病毒研究发展态势
本研究基于Web of Science(WoS)核心合集数据库，通过主题检索，统计自1900年至今土壤病毒(包括噬菌体)研究领域的年发文量，并归纳总结出其发展态势。1936−2021年土壤病毒研究领域发展可划分为2个阶段：平稳发展阶段(1936−1990年)和迅速增长阶段(1991年至今)。1936−1990年，每年发文量不超过10篇，该时期土壤病毒研究发展缓慢；1991年至今，发文量极速增长，尤其是近几年发展更为迅速(图2)。这说明土壤病毒研究领域当前正处于高速发展阶段，国际上对土壤病毒相关研究的关注程度越来越高，同时也证实该研究领域目前为国际土壤学研究热点，推测可能是近年来分子生物学技术的突破、生态学理论的广泛应用及新冠病毒感染疫情极大地推动了土壤病毒研究领域的发展。
利用检索自WoS核心合集数据库1936−2022年发表的土壤病毒相关文献信息，进行关键词共现网络分析，发现土壤病毒研究领域的发展主要是围绕病毒多样性及生态学效应(主要关键词有diversity、population dynamics、communities、abundance、ecology等)、迁移传播(主要关键词有movement、transport、adsorption、porous media等)及侵染机制、抗性基因、生物进化及调控(主要关键词有infection、resistance gene、evolution、biological control等)等3个大方向(图3)。
土壤病毒研究热点
土壤病毒类型
病毒作为宿主细胞外独立粒子，基因组物质都包裹在蛋白质结构中。土壤中大多数典型噬菌体衣壳上附着有尾丝蛋白，参与宿主识别和感染，少数有脂质包膜。Weinbauer观察水生环境病毒直径为30−80 nm，土壤病毒大小也在这个范围内，典型噬菌体的衣壳最常见直径约为60 nm。因此，噬菌体的等效直径一般要比细菌细胞(1−5μm)的尺寸小很多。从噬菌体的核酸类型来看，噬菌体可以携带双链DNA(double-stranded DNA,dsDNA)、单链DNA(single-stranded DNA,ssDNA)、双链RNA(double-strandedRNA,dsRNA)、单链RNA(single-stranded RNA,ssRNA)。
图2 1936−2021年土壤病毒研究领域SCI发文量变化
图3 1936−2022年土壤病毒研究高频关键词共现网络图谱(A)和高频关键词聚类图谱(B)
常见的噬菌体分为短尾噬菌体科(Podoviridae)(尾部短，不可收缩)，肌尾噬菌体科(Myoviridae)(尾部长，可收缩)，长尾噬菌体科(Siphoviridae)(尾部长，不可收缩)，以及一些球状、线状的病毒颗粒。比较了多种不同类型土壤的病毒颗粒形态，发现多数土壤以有尾噬菌体为主(80%)，仅有1种农业土壤中56%为球形病毒颗粒。估算有尾噬菌体(Caudovirales)的质量，发现其蛋白质和核酸质量相等，而丝状病毒通常只有6%−14%的核酸。
此外有研究发现，病毒粒子大小与基因组大小存在一定相关性，如大肠杆菌病毒粒子MS2噬菌体直径为26 nm，单链核糖核酸基因组只有3 569个核苷酸，仅携带4个基因。而巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)噬菌体的衣壳直径为160 nm，能携带细菌497 kb双链脱氧核糖核酸基因组，比一些细菌基因组还要大。在土壤中，还存在着一些巨大病毒(giant viruses)，如核质巨DNA病毒(nucleocytoplasmic large DNA viruses,NCLDVs)，其具有至少300 kb的基因组，主要感染真核生物(尤其是原生生物和藻类)。通过迷你宏基因组学方法(mini-metagenomics)在森林土壤中发现了16个新的巨大病毒基因组，并通过系统发育分析将它们归属于klosneuviruses、Cafeteria roenbergensisvirus和tupanviruses。