水稻土甲烷氧化的微生物机理与关键调控因子

甲烷氧化菌是地球系统甲烷排放的天然消减器，本申请项目将从三个方面研究水稻土甲烷氧化的微生物机理及关键调控因子。第一，研究水稻土甲烷氧化菌的多样性、关键微生物种类和功能，探索新型甲烷氧化菌包括反硝化厌氧甲烷氧化菌和甲烷氧化疣微菌的潜在功能；第二，研究甲烷氧化菌的生态生理特征及环境适应机制，包括甲烷氧化菌与其他微生物的相互作用、甲烷氧化菌的乙酸利用能力以及可能拥有的厌氧发酵功能；第三，研究氮肥和水稻品种对甲烷氧化菌的调控机理，包括甲烷氧化与反硝化的耦合作用、氨共氧化和固氮作用与氮素调控的关系、水稻根系与甲烷氧化菌的相互作用以及不同水稻品种对甲烷氧化菌多样性和功能的影响。本项目将采用稳定同位素质谱、DNA/mRNA稳定同位素探针技术、基因组和转录组高通量技术等一系列生物地球化学和环境微生物学的最新研究方法。预计研究成果可为促进水稻农业的可持续性发展提供科学依据。

关于甲烷氧化过程的微生物机理研究有助于发展促进甲烷氧化、减少甲烷排放的稻田管理技术，促进水稻农业的可持续发展。本项目针对甲烷氧化研究的国际前沿，重点研究了以下三个问题：1）水稻土中甲烷氧化菌的多样性和关键种类；2）甲烷氧化菌的生态生理特征及环境适应机理；3）甲烷氧化菌的功能调控机制。在甲烷氧化过程氮素调控机理等方面取得了显著进展，共发表SCI论文11篇，中文综述类论文4篇，培养博士后2名、博士生和硕士生各5名，与国外同行合作交流20余人次。主要研究成果包括：1）揭示了甲烷氧化菌群落结构和功能在水稻土剖面的分异特征，并刻画了土壤水分管理对甲烷氧化菌的影响。发现甲烷氧化菌的空间分异特征主要体现在功能活性，即关键功能基因的表达水平上，并揭示了I型和II型甲烷氧化菌对干湿交替管理的不同响应特征。2）发现氮素形态对甲烷氧化过程和氧化菌群的差异影响，由于甲烷单加氧酶和氨单加氧酶的相似性，学术界一直对甲烷氧化的氮素调控机理存在争议，本项目围绕该科学问题，开展了一系列研究，发现硝态氮对水稻土甲烷氧化的促进作用比铵态氮更显著，并在此基础上进一步发现甲烷氧化菌和反硝化菌之间存在交叉取食作用。3）探索了水稻土中甲烷氧化菌对乙酸的利用能力及环境适应，由于在水稻植物残体厌氧降解过程中产生大量乙酸，我们首次探索了水稻土中甲烷氧化细菌对乙酸的利用潜力，发现水稻土中可能存在既能利用甲烷又能利用乙酸的兼性甲烷氧化菌，通过稳定同位素技术鉴定其种类主要为甲烷氧化胞菌属。4）探索了甲烷氧化菌分离培养的新方法及单细胞研究技术，采用物理化学分离原理，自制合成聚氨酯高分子材料，发展了一项分子印迹薄膜技术，能简便易行地分离纯化土壤甲烷氧化菌，同时通过国际合作，采用纳米次级离子质谱技术（nanoSIMS）对水稻土甲烷氧化菌的氮素调控机理进行了单细胞水平的研究。