水稻集约化种植驱动根际甲烷氧化菌群落丰度、活性及组成的演变规律

《FEMS Microbiology Ecology》：Intensive rice cropping drives shifts in abundance, activity, and assembly of root-associated methanotrophic community

本研究针对水稻集约化种植对温室气体甲烷排放的影响，通过分析连续水稻与水稻-牧草轮作两种种植模式下根际及本体土壤中好氧甲烷氧化菌的pmoA基因丰度、甲烷氧化潜力及群落结构，发现种植集约化显著影响甲烷氧化活性，且在分蘖期达到峰值。DNA稳定同位素探针技术进一步揭示不同种植系统中活跃的甲烷氧化菌群落存在显著差异，其中Methylocystis和Methylocella分别主导了连续水稻与轮作系统的根际群落。该研究为优化稻田管理策略、降低甲烷排放提供了重要的微生物学依据。

　　

在全球气候变暖的严峻挑战下，甲烷作为一种温室效应远超二氧化碳的气体，其排放控制已成为国际社会关注的焦点。农业活动贡献了约50%的人为甲烷排放，其中稻田更是重要的排放源，每年约释放31太克甲烷。尽管水稻作为全球主要粮食作物关乎人类温饱，但其种植过程中持续的淹水环境为产甲烷菌提供了理想栖息地，同时也孕育了能够消耗甲烷的好氧甲烷氧化菌——这群默默无闻的“土壤清洁工”在稻田生态系统的碳循环中扮演着关键角色。

传统的稻田管理策略，例如乌拉圭长期推行的水稻-牧草轮作系统，以其环境友好和资源高效利用而闻名。然而，随着人口增长对粮食产量的需求，水稻种植集约化（如缩短轮作周期或转向连续种植）已成为不可逆转的趋势。这种转变如何影响稻田土壤中甲烷氧化这一重要的“生物过滤器”的功能？其背后的微生物驱动机制是什么？这些问题对于重新设计可持续的水稻生产系统至关重要。以往的研究多关注于土壤理化性质或整体微生物群落对轮作制度的响应，而对甲烷氧化菌这一功能特异性群体的深入探讨，尤其针对其活性群落的研究仍较为缺乏。

在此背景下，由乌拉圭共和国大学Sofia Croci-Bentura等人领导的研究团队在《FEMS Microbiology Ecology》上发表了他们的最新成果。他们以乌拉圭长期田间试验站为平台，聚焦于两种对比鲜明的种植模式：高强度连续水稻(CR)和低强度水稻-牧草轮作(RP)，旨在揭示种植集约化对水稻根际好氧甲烷氧化菌群落的丰度、活性及组成的全方位影响。

为了系统回答上述科学问题，研究人员综合运用了多种技术手段。研究材料取自乌拉圭Treinta y Tres长期田间试验站（始于2012年）的土壤样本，包括水稻不同生长时期（播种前、分蘖期、孕穗期、开花期）的本体土壤和根际土壤。关键技术方法主要包括：1) 通过实时定量PCR(qPCR)测定功能基因pmoA（编码甲烷单加氧酶的关键亚基）的拷贝数以评估甲烷氧化菌的丰度；2) 通过土壤浆液培养与气相色谱联用测定甲烷氧化潜力(MOP)，反映其功能活性；3) 利用16S rRNA基因Illumina MiSeq测序（V4区）解析细菌及甲烷氧化菌的群落组成；4) 采用¹³CH₄ DNA稳定同位素探针技术，结合CsCl密度梯度超速离心，特异性识别在开花期根际土壤中活跃利用甲烷的微生物种群。

种植集约化显著提升甲烷氧化菌丰度与活性

研究发现，无论是本体土壤还是根际土壤，连续水稻(CR)系统中的pmoA基因丰度均显著高于水稻-牧草轮作(RP)系统，且这种差异不受作物生长阶段的影响。甲烷氧化潜力(MOP)的测定结果进一步印证了集约化的效应，分蘖期是甲烷氧化活性最强的时期，且CR系统在该时期的MOP显著高于RP系统。相关性分析表明，MOP与铵态氮(N-NH₄⁺)含量呈强正相关，而与土壤pH值呈中等负相关，提示氮素有效性pH值可能是调控甲烷氧化活性的重要环境因子。

稳定同位素探针成功捕获活跃甲烷氧化菌

研究人员成功利用固定角转子（30°）进行了¹³CH₄ DNA-SIP实验，实现了标记与未标记DNA的有效分离。pmoA基因在重馏分中的相对丰度分布以及16S rRNA测序结果均证实，在¹³C标记的甲烷孵育下，重馏分中发生了显著的甲烷氧化菌富集，其相对丰度超过总细菌群落的70%。主坐标分析(PCoA)和相似性分析(ANOSIM)均表明，¹³C标记的重馏分细菌群落结构与其它馏分存在显著差异，且多样性指数显著降低，表明该方法有效特异地捕获了活跃的甲烷氧化菌群。

13CH₄ DNA-SIP实验结果'>

活跃群落以II型甲烷氧化菌为主导且存在系统差异

对SIP实验重馏分的测序分析显示，活跃的细菌群落主要由甲烷氧化菌构成。其中，II型甲烷氧化菌（属于α-变形菌纲）占绝对主导地位，Methylocystis（甲基孢囊菌属）是其中最优势的类群，在CR和RP系统中的相对丰度分别高达87.8%和89.5%。其次为Methylosinus（甲基弯曲菌属）。I型甲烷氧化菌（γ-变形菌纲），如Methylobacter（甲基杆菌属）、Methylomonas（甲基单胞菌属）等也有检出，但丰度较低（通常<3%）。差异丰度分析进一步揭示，尽管Methylocystis在两种系统中均为优势菌，但其内部的不同ASVs（扩增子序列变体）在CR和RP系统中的分布存在差异。此外，Crenothrix（泉发菌属）、Methyloparacoccus等I型甲烷氧化菌在CR系统的活跃群落中显著富集，而Methyloterricola和Methyloglobulus则在RP系统中更为丰富。

根际总甲烷氧化菌群落结构受种植系统调控

对未孵育的原始根际土壤（开花期）的群落分析发现，种植系统显著影响了总甲烷氧化菌的群落结构。在连续水稻(CR)系统中，群落由Methylocystis主导（平均相对丰度84.16%），其次为Methylobacter（10.07%）。而在水稻-牧草轮作(RP)系统中，优势菌群则转变为Methylocella（平均相对丰度51.82%），其次才是Methylocystis（36.65%）。Methylocella是一种不含有颗粒性甲烷单加氧酶(pMMO)而含有可溶性甲烷单加氧酶(sMMO)的兼性甲烷氧化菌，这一发现提示不同的种植制度可能选择了具有不同代谢特征的甲烷氧化功能类群。

本研究通过多维度、多技术的综合研究，有力地证明了水稻种植集约化对根际好氧甲烷氧化菌这一关键微生物功能群产生了深远影响。研究不仅证实了集约化提高了甲烷氧化菌的丰度和潜在活性，更重要的是，揭示了不同种植制度下，水稻根际招募的总甲烷氧化菌群落及其在甲烷环境下的活性群落存在显著差异。连续水稻系统倾向于富集以Methylocystis为代表的II型甲烷氧化菌，而传统的水稻-牧草轮作系统则与以Methylocella为特征的群落相关联。活跃群落分析进一步表明，种植集约化还筛选了不同的I型甲烷氧化菌物种。

这些发现具有重要的科学意义和实践价值。首先，它表明好氧甲烷氧化菌是对农业管理措施（如作物轮作强度）敏感的微生物指标，可用于评估农业生态系统的可持续性。其次，研究明确了在甲烷排放通量通常最高的开花期，根际存在着活跃且受种植系统影响的甲烷氧化过程，这为了解和预测稻田甲烷净排放提供了更精细的微生物学视角。最后，研究鉴定出的关键甲烷氧化菌类群（如Methylocystis, Methylocella），许多是兼具固氮潜力的兼性营养菌，这些特性使其成为未来开发基于微生物调控的稻田温室气体减排技术的潜在候选菌株。该研究为在保障粮食安全的前提下，通过优化种植模式调控土壤微生物功能、实现农业低碳发展提供了重要的理论依据和实践方向。