在全球气候变化日益严峻的背景下，极端热浪事件频发且强度不断攀升，已成为影响生态系统稳定性的关键因素。热浪往往带来持续数天甚至数月的高温，温度可高达35至50摄氏度，深刻改变着土壤微生物的代谢活性、群落结构及其驱动的地球化学循环过程。作为全球氮循环的核心引擎，硝化微生物每年氧化超过20亿吨氨氮，其对环境变化的响应直接关系到生态系统的功能与健康。然而，在极端高温胁迫下，这些关键微生物群落如何演变，以及与其共生的病毒如何协同响应，长期以来缺乏系统深入的研究。
近日，南京农业大学联合美国伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校等多家科研机构，在《The ISME Journal》上发表了一项突破性成果。该研究聚焦于长江上游的自然潮滩与邻近农田土壤，通过构建微宇宙培养体系，模拟了仲夏平均温度（28°C）与持续热浪条件（37°C），并创新性地结合13C-DNA稳定同位素标记技术与宏基因组学分析，首次从“活性”层面揭示了热浪如何重塑硝化微生物群落及其病毒互作网络。
研究发现，持续高温对不同类型土壤中的活性硝化微生物产生了差异化影响。在潮滩土壤中，热浪显著抑制了活性氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）以及完全氨氧化菌（CMX）的丰度，并驱动活性硝化类群从适应海洋环境的生态型向耐热性更强但耐盐性较弱的陆地生态型演替；而在农田土壤中，高温虽然抑制了活性AOB，却意外促进了耐热性陆地AOA生态型的增殖。这种土地利用类型依赖的响应模式，揭示了生态系统对气候胁迫的复杂适应机制。
更为引人注目的是，研究揭示了病毒与宿主之间相互作用策略随温度变化的动态调整。在正常温度条件下，活性病毒与宿主的丰度比较高，病毒倾向于采取烈性生活策略，通过裂解宿主加速物质循环；而在热浪模拟的高温环境中，病毒与宿主的丰度比显著下降，病毒转而采取温和或溶源策略，将自身基因组整合入宿主，减少了对宿主的致死率。这种策略转变可能是在能量受限的高温胁迫下，病毒为确保持续复制而采取的生存智慧。
此外，研究团队在侵染AOA的病毒基因组中鉴定出了一种编码质体蓝素（plastocyanin）的辅助代谢基因。该基因编码的蛋白质是AOA呼吸链中关键的铜依赖性电子载体，具有保守的活性位点和稳定的折叠结构，推测能够增强宿主的电子传递效率和能量代谢能力。这一发现暗示，在低温环境下，病毒可能通过携带此类功能基因，在裂解宿主的同时提升其代谢效能，从而精细调控硝化微生物的种群动态与硝化速率；而在高温压力下，病毒转向溶源策略，不再需要对宿主进行额外的能量补偿，而是将资源集中于自身基因组的复制。
这项研究不仅阐明了极端热浪如何通过重塑活性硝化微生物群落及其病毒互作模式来改变土壤硝化作用，更揭示了病毒 - 宿主耦合系统在应对气候胁迫时的复杂适应机制。这些发现为理解全球变化背景下氮循环的生物地球化学过程提供了新的视角，对预测生态系统对未来气候情景的反馈具有重要的科学意义。
南京农业大学王保战教授为论文第一作者，蒋建东教授、高彦征教授和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校秦玮教授为共同通讯作者。
