盐度胁迫下稻田土壤产甲烷食物网的时序宏转录组解析及其对全球甲烷循环的启示

这篇研究采用"双RNA"宏转录组学（rRNA+mRNA）技术，揭示了海水入侵（SWISLR）对稻田土壤产甲烷食物网的分级效应。研究发现盐度通过改变梭菌科（Clostridiaceae）主导的代谢网络（包括糖酵解、丙酮酸代谢和乙醇发酵途径），显著抑制CH4产量，且抑制作用随群落演替阶段呈现动态变化。特别发现甲烷八叠球菌科（Methanosarcinaceae）的乙酸裂解途径和甲烷微粒菌目（Methanomassiliicoccales）的甲醇代谢途径构成盐胁迫下的关键适应机制。

　　

盐度梯度下产甲烷食物网的动态重塑

ABSTRACT

海水入侵与海平面上升（SWISLR）显著抑制稻田CH₄排放，这种抑制效应随微生物群落演替阶段呈现差异化特征。宏转录组分析显示，盐胁迫使产甲烷食物网向梭菌科（Clostridiaceae）主导的代谢模式转变，包括聚合物分解、糖酵解、丙酮酸代谢等关键途径的重编程。值得注意的是，14天预培养后乙酸积累促进了甲烷八叠球菌科（Methanosarcinaceae）的乙酸裂解产甲烷途径，部分缓解了CH₄抑制效应。

INTRODUCTION

全球20%稻田面临盐渍化威胁，这些生态系统既是重要碳库也是CH₄排放热点。传统研究多关注产甲烷古菌，而忽略水解细菌和发酵菌群等上游功能模块。本研究创新性地采用时间序列设计，在9/14/21/28天四个预培养阶段后施加1.75%和3.50%盐度胁迫，通过"双RNA"技术同步解析群落结构与功能活性。

RESULTS

Differential salinity effect on CH₄ and CO₂ production

盐度显著抑制CH₄和CO₂生成，但在14天预培养组出现例外。乙酸在盐胁迫下持续积累，与CH₄产量呈显著负相关（R=-0.63）。丙酸盐在14天和28天组显著富集，提示盐度对互养丙酸氧化菌的特异性抑制。

Greater salinity effect on bacteria than methanogens

细菌mRNA水平的响应比16S rRNA更敏感，而产甲烷菌群落主要受预培养时间调控。产甲烷菌的α多样性在16S rRNA与mRNA水平呈现惊人一致性（R=0.94），CAZyme转录本丰度与细菌多样性显著正相关。

Distinct microbial community responses

梭菌科在盐胁迫下转录活性提升87.5%，成为最活跃的细菌类群。甲烷微菌科（Methanocellaceae）在21天后转录活性回升，而甲烷八叠球菌科活性随预培养时间递减。

Salt inhibited bacterial gene expression

盐度显著抑制CAZyme转录本（特别是纤维素酶），但果胶降解相关基因在3.50%盐度下反升。梭菌科表现出CAZyme表达的显著富集，暗示其通过调整碳源利用策略适应盐胁迫。

Varied responses of fermentative populations

丙酮酸代谢与乙醇发酵途径转录本在盐胁迫下显著增加。梭菌科在糖酵解和乙醇发酵途径中展现核心地位，其代谢通量重定向可能为渗透调节提供能量基础。

Salinity inhibited hydrogenotrophic methanogenesis

盐度对氢营养型产甲烷途径（甲烷微菌科主导）的抑制在14天组最显著，但在后期缓解。甲基营养型途径（甲烷微粒菌目主导）转录活性随预培养时间持续增强，mtaAB基因簇表达显著上调。

Adaptive salinity response mechanisms

胆碱转化为甘氨酸甜菜碱的渗透保护机制在1.75%盐度下表达最强。甲烷八叠球菌科的ablB基因（编码β-赖氨酸乙酰化酶）在盐胁迫下特异性激活，揭示新型相容性溶质合成途径。

DISCUSSION

Polymer hydrolysis and fermentation

梭菌科通过形成纤维小体和芽孢的双重策略获得竞争优势。其增强的乙醇发酵途径（每葡萄糖产生2ATP）为渗透调节提供能量，而乙酸积累（14天组达对照5.7倍）维持了甲烷八叠球菌科的代谢活性。

Methanogenesis

甲烷八叠球菌科通过Na⁺外排和N^ε-乙酰-β-赖氨酸合成实现盐适应。甲烷微粒菌目可能通过与梭菌科的电子传递偶联（如利用乙醇作为电子供体）促进甲基营养型产甲烷。

A global view

研究首次揭示盐度效应具有"演替阶段依赖性"：早期靠乙酸裂解途径维持，后期转为甲基营养型主导。排除硫酸盐干扰的实验设计证实NaCl本身即可重构产甲烷食物网。

Conclusion

该研究建立了盐度-微生物功能模块-CH₄排放的定量关系，为预测海岸带稻田的温室气体排放提供了分子基准。梭菌科与甲烷八叠球菌科的代谢联盟，可能成为调控盐渍化稻田CH₄排放的关键靶点。