该研究通过13CO2-DNA稳定同位素探针结合宏基因组学，探讨了模拟热浪的高温条件对长江口潮滩和邻近农业土壤中活跃硝化群落及其相关病毒的影响，发现高温会以土地利用依赖的方式改变硝化菌群结构和病毒-宿主相互作用策略。
在全球气候变化背景下，热浪的频率、强度和持续时间不断增加，对自然生态系统和农业生产力产生显著影响。温度作为微生物代谢、活性及群落结构的关键驱动因素，可能通过改变微生物动态及相互作用深刻影响生物地球化学循环。硝化微生物（包括氨氧化古菌AOA、氨氧化细菌AOB、亚硝酸盐氧化细菌NOB及完全氨氧化菌CMX）负责全球每年超过2000 Tg氮的氧化，是氮循环的核心环节，但其对极端热浪事件的响应机制尚不明确。同时，病毒作为地球上最丰富的生物实体，通过调控宿主群落结构、代谢活性及基因水平转移影响硝化菌生态与功能，然而热浪条件下病毒-硝化菌相互作用的动态变化及其与温度等环境因素的关联仍缺乏深入研究。本研究聚焦长江口潮滩及相邻农业土壤（20世纪60年代由潮滩改造而来），旨在揭示热浪条件下活性硝化菌群结构、硝化活性及病毒-宿主相互作用的响应规律，阐明土地利用方式如何介导这些过程对极端温度的反馈机制。
材料与方法：研究区域位于中国江苏省启东市长江口潮滩及邻近农业土壤，采样深度0-15cm。采用13C-DNA稳定同位素探针（SIP）微宇宙培养，设置28°C（夏季平均温度）和37°C（模拟热浪）两个温度梯度，培养8周。通过超速离心分离13C标记的DNA，利用qPCR定量amoA基因（AOA、AOB、CMX），并对宏基因组进行测序组装，构建AmoA/NxrB数据库分析群落结构，同时识别13C标记的病毒操作分类单元（vOTUs）并预测其宿主和生活方式。
温度驱动的活跃硝化菌群变化：潜在硝化速率（PNA）显示潮滩群落最适温度为25-30°C，农业土壤为35-40°C。在农业土壤中，37°C下13C标记的AOA丰度较28°C增加4.3-8.5倍，成为主导氨氧化菌，而AOB和CMX丰度显著降低（AOB降低43.8%-47.1%，CMX低于1.0×104基因/g干土）；潮滩中37°C下AOA、AOB、CMX丰度均下降，CMX甚至低于检测限（<1.0×102拷贝/g干土）。
图1. 不同温度下土壤微宇宙中氨氧化菌的硝化活性及13CO2标记8周变化
高温下硝化菌群的群落转变：农业土壤中，28°C时AOB（N. communis/N. nitrosa亚谱系）占主导，37°C时AOA（NS-Zeta和NS-Alpha亚谱系）成为优势，NOB群落从28°C的Nitrobacter和Nitrospira lineage II转变为37°C的Nitrospira lineages I、V及Nitrolancea（P<0.001）。潮滩中，28°C时活跃硝化菌为海洋生态型（AOA的NP-Gamma和NP-Theta，AOB的N. marina/N. aestuarii，NOB的Nitrospira lineage IV），37°C时转变为陆生生态型（AOA的NS-Zeta和NS-Alpha，AOB的N. communis/N. nitrosa，NOB的Nitrolancea）。
图2. 不同温度下13C标记硝化菌的种群动态。
病毒群落及病毒-硝化菌相互作用的温度驱动变化：共获得584个≥5kb的病毒contigs，聚类为484个vOTUs，其中约50%为硝化菌感染病毒。农业土壤中28°C时Peduoviridae和Mesyanzhinovviridae占优，37°C时Vilmaviridae富集；潮滩中28°C时Mesyanzhinovviridae主导，37°C时Peduoviridae和Herelleviridae更丰富。37°C下病毒-宿主丰度比显著低于28°C（Cohen's d>0.8），且预测溶原性病毒比例增加，裂解性病毒比例降低。
图3. 土壤微宇宙中13C标记病毒在不同温度下的特性分析。
与AOA能量代谢相关的病毒质体蓝素基因：在农业土壤28°C的13C标记宏基因组中发现AOA感染病毒vContig_022携带pcy基因（编码质体蓝素），其铜结合位点保守，预测3D结构与AOA的质体蓝素高度相似（Cov值0.99，TM-score 0.92），可能通过调节宿主电子传递增强能量代谢。
图4. AOA 感染病毒的病毒质体蓝蛋白的遗传组织、系统发育关系及预测三维结构。
研究发现， prolonged热浪通过改变活跃硝化菌群组成和病毒-宿主相互作用策略，以土地利用依赖的方式影响硝化作用。农业土壤中，耐热陆生AOA的增殖提升硝化活性；潮滩中，海洋硝化菌被耐热但耐盐性差的陆生生态型取代，导致硝化作用受抑制。病毒在低温下通过高病毒-宿主比和裂解性感染影响宿主周转，高温下则倾向于溶原性策略。此外，AOA病毒携带的pcy基因可能辅助宿主能量代谢。这些发现揭示了极端气候下硝化菌群与病毒的耦合响应，对理解氮循环和生态系统反馈具有重要意义。
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