稻田藻-菌生物膜降解木质纤维素及其作用机制

The microbial degradation of lignocellulose contributes to the gain of soil active organic carbon and the capacity-increase of soil carbon pool. As the special microbial aggregates in paddy fields, algae-bacteria biofilms have been proved having important ecological functions in paddy field ecosystems. However, by so far, it has not yet been quantitatively studied the lignocellulose degradation ability of algae-bacteria biofilms, and also little is known about their detailed microbial degradation mechanisms. To answer these questions, series of analysis means such as indoor cultivation, enzyme activities detection, high-throughput sequencing, and qRT-PCR, etc. will be employed in this study to study the degradation ability of algae-bacteria biofilms to lignocellulose, and the distribution characteristics of dominant functional microorganisms, dominant functional enzymes, and dominant functional genes together with their dynamic evolution rules during lignocellulose degradation process. Based on these results, the relationship of the lignocellulose degradation ability of algae-bacteria biofilms with functional microorganisms and functional genes will be further analyzed. These results in this study will not only contribute to perfect the microbial mechanisms of lignocellulose degradation in paddy field ecosystems, but also rich the database of lignocellulose degradation microorganisms and provide theoretical guidance for future development of novel microbial resources of lignocellulose degradation basing on algae-bacteria biofilms grown in paddy fields .

微生物降解土壤木质纤维素有助于土壤活性有机碳增益以及土壤碳库增容。作为稻田中生长着的特殊的微生物聚集体，藻-菌生物膜在稻田生态系统中发挥着重要的生态功能。然而，至今尚未定量研究稻田藻-菌生物膜木质纤维素降解能力，更未研究其降解木质纤维素的微生物机制。为解答这一科学问题，本研究通过藻-菌生物膜的室内培育观测、酶活检测、高通量测序、磷脂脂肪酸法检测以及qRT-PCR等分析技术，研究稻田藻-菌生物膜木质纤维素降解能力及影响因素，揭示木质纤维素降解过程中稻田藻-菌生物膜优势功能微生物、功能酶以及功能基因的分布特征及动态演变规律，解析不同水稻生长期藻-菌生物膜木质纤维素降解能力与功能微生物及功能基因的关系。研究结果不仅有助于完善整个稻田生态系统中木质纤维素降解的微生物机制，还将丰富木质纤维素降解微生物数据库，为今后基于“藻-菌生物膜”开发新型木质纤维素降解微生物资源提供理论指导。

通过对我国稻田藻-菌生物膜的木聚糖酶酶活表征并解析其影响机制，得出以下结论：.1）查明了我国主要稻区藻-菌生物膜微生物组成特征及其影响因素。研究发现在所有的藻-菌生物膜样品中，共鉴定出130个属16个门的原核生物和145个属23个门的真核生物。除气候因素外（≥10°C年积温、总太阳辐照量），稻田藻-菌生物膜群落组成受土壤性质，如土壤有机质、总氮等影响较大。.2）阐明了我国主要稻区藻-菌生物膜木聚糖酶活（基因）的空间分布特征及其影响因素。沿长江中游至下游，稻田生物膜的木聚糖酶活性表现出递减的趋势；由南至北，稻田生物膜的木聚糖酶活性也呈现出递减的趋势。研究发现包括生物膜特性以及土壤肥力等理化特性均与藻-菌生物膜木聚糖活的空间分布特征有关。此外，稻田藻-菌生物膜中共有8个属的原核微生物以及7个属的真核生物与其木聚糖酶活性显著正相关。稻田藻-菌生物膜中的木聚糖基因的相对表达量的空间变化趋势与其酶活的变化趋势吻合，即稻田藻-菌生物膜表现出的木聚糖酶活越高，其基因的相对表达量也越高。.3）揭示了稻田藻-菌生物膜木聚糖酶活（基因）的时间分布特征。稻田藻-菌生物膜的木聚糖酶活性随施肥呈现出不断升高的趋势，施加穗肥后其酶活达到最高值，随后逐渐降低。未施肥组与施肥组相比较后发现，不施肥的情况下稻田藻-菌生物膜表现出的木聚糖酶活低于施肥情况下的木聚糖酶活；此外，施肥可以促进稻田藻-菌生物膜提前表现出其木聚糖酶活。稻田藻-菌生物膜中的木聚糖基因的相对表达量的变化趋势与其酶活的变化趋势基本吻合，即稻田藻-菌生物膜表现出的木聚糖酶活越高，其基因的相对表达量也越高。.4）研究结果不仅有助于完善整个稻田生态系统中木质纤维素降解的微生物机制，还将丰富木质纤维素降解微生物信息库，为今后基于“藻-菌生物膜”开发新型木质纤维素降解资源提供理论指导。