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广泛存在的陆地噬菌体中磷获取基因的潜在生态功能及隐藏多样性

摘要

磷（P）限制生态系统过程在陆地生境中普遍存在。虽然据报道，来自水生生境的噬菌体中的一些辅助代谢基因（AMGs）具有增强宿主P获取能力的潜力，但关于陆地噬菌体编码的P获取基因的多样性和潜在生态功能知之甚少。在此，我们分析了来自中国五个陆地生境类型的333个土壤宏基因组，并鉴定出75个编码105个P获取AMGs的病毒操作分类单元（vOTUs）。这些AMGs涉及17个不同的功能基因，这些基因参与微生物P获取的四个主要过程。其中，超过60%（11/17）之前未曾报道。我们实验验证了由P获取vOTUs编码的两个焦磷酸酶和一个碱性磷酸酶的体外酶活性。在75个P获取vOTUs中，有36%可在已发表的全球表层土壤宏基因组数据集中检测到。进一步分析显示，在特定情况下，所确定的P获取AMG对土壤P可用性的影响更大，在土壤元转录组中比相应的细菌基因更为突出。总体而言，我们的结果强调了将病毒贡献纳入生物地球化学P循环的必要性。

引言

磷（P）限制生态系统过程的普遍发生不仅记录在水生栖息地，也记录在陆地栖息地。只有总土壤磷含量的一小部分（6%）是生物可利用的，因此陆地生态系统中许多生物过程都受到低土壤磷可用性的限制。特别是，越来越多的证据表明，低土壤磷可用性强烈限制了世界各地各种陆地生态系统中的微生物过程。

增强磷获取能力是微生物应对其栖息地磷稀缺的关键策略。一些微生物拥有多样的代谢能力，以改善环境中各种难降解磷形式的生物可及性。这些微生物从环境中获取磷的能力不仅对它们自身至关重要，也对生态系统中的其他组成部分至关重要。例如，溶磷微生物可以将少量可用的磷形式转化为可利用的形式，从而促进植物对磷的吸收。因此，微生物对环境中磷的动态变化具有重要影响，探索微生物磷获取的机制（尤其是在磷限制条件下）对于更好地理解生物地球化学磷循环至关重要。

一方面，微生物可以通过释放水解酶直接矿化和溶解难溶性磷，从而提高磷的生物有效性。有一些微生物酶能够从难溶性有机磷形式中释放出游离的正磷酸，例如酸性磷酸酶（由aphA、olpA或phoN编码）、碱性磷酸酶（phoA、phoD或phoX）、C-P裂解酶（phnP）、甘油磷酸二酯磷酸二酯酶（ugpQ）和核糖焦磷酸1,2-环状磷酸磷酸二酯酶（phnW）等。此外，还有两种蛋白质参与无机磷酸聚合物的水解，即无机焦磷酸酶（PPa，由ppa编码）和外多磷酸酶（ppx）。另一方面，微生物必须与其他生物体竞争环境中有限的磷。因此，它们通常携带高效的磷摄取/运输和磷饥饿响应系统。环境中的正磷酸盐可以通过由高亲和力磷酸盐特异性运输系统（Pst，由pstS、pstC、pstA和pstB编码）和/或低亲和力无机磷酸盐运输系统（PiT，pit）编码的渗透酶蛋白运输到微生物细胞中，而甘油-3-磷酸盐则由Ugp系统（ugpB、ugpA、upgE和upgC）编码的蛋白运输。磷酸盐调控子（Pho）是一种参与可利用磷酸盐感应和调控的调控机制，由称为PhoR-PhoB（phoR和phoB）的双组分调控系统控制。Pst系统是Pho调控子的高度保守成分。除了Pst系统外，细菌Pho调控子中还发现了一个编码假定的ATPase的基因phoH，尽管其确切作用尚不清楚。PhoU（phoU）可以作为Pho调控子的负调控因子。

有趣的是，多项证据表明，在磷受限的淡水生态系统中，某些噬菌体（即感染细菌的病毒）通过编码参与微生物磷获取的辅助代谢基因（AMGs）来促进其宿主的磷摄取。从低磷海洋中分离出的九种蓝藻噬菌体被发现含有周质高亲和力磷酸结合基因pstS，其中两种蓝藻噬菌体还编码了碱性磷酸酶基因phoA。进一步的宏基因组学和宏转录组学研究揭示了磷胁迫是海洋噬菌体保留pstS的强大选择压力。最近，一些参与微生物磷获取的AMGs（例如ppa、phoD和yjbB）已被证明在珠江口表层水和沉积物中表达，这些沉积物中可用的磷水平较低。此外，据报道，来自磷缺乏的酸性矿山排水沉积物的一些病毒序列含有phoH基因。然而，值得注意的是，在目前已知的水生噬菌体编码的磷获取AMGs中，与磷运输相关的pstS是唯一一个其功能已通过实验验证的。

由于磷是细菌生长的限制因素之一，并且病毒复制也需要大量的磷，因此具有磷获取AMGs的病毒在磷受限环境中感染时可能获得适应性优势。鉴于陆地和水生微生物倾向于采用类似的策略来应对磷限制，人们可能会预期携带各种磷获取AMGs的病毒在磷受限的陆地生态系统中普遍存在。然而，这类病毒描述得并不充分。2022年，郑等人在工业土壤中检测到三种病毒phoD基因，韩等人在农业土壤中回收了八种病毒phoH基因。最近，黄等人在稻田土壤中鉴定出跨越三个不同功能基因（即phoA、phoB和phoH）的六种