哥伦比亚稻田秸秆降解微生物基因组资源揭示新型类群与碳水化合物活性酶谱

《Scientific Data》：Genome-Resolved Metagenomics of Rice Straw Degradation Experiments in Colombian Fields

本刊推荐：为解决水稻秸秆(RS)焚烧导致的温室效应问题，研究人员通过基因组解析宏基因组学(MAGs)技术，对哥伦比亚稻田固态发酵体系开展降解机制研究。成功获得146个MAGs（37%为高质量），发现67%为新分类群，并鉴定出富含CAZymes（尤其是Bacteroidota和Acidobacteriota门）的秸秆降解潜力基因组。该资源为农业废弃物微生物转化提供了新种质资源和代谢通路参考。

　　

每年全球水稻收割产生超过8亿吨水稻秸秆(RS)，这种农业副产物常因难以有效管理而被焚烧，成为加剧全球变暖的隐形推手。秸秆中纤维素(24-38%)、半纤维素(25-27%)和木质素(12-13%)构成的复杂空间结构，使其自然降解效率低下。在哥伦比亚稻田中，一场旨在破解秸秆降解密码的微生物勘探行动悄然展开——研究人员通过基因组解析宏基因组学技术，从田间试验的固态发酵体系中捕获了146个微生物"身份档案"，其中竟有67%可能是科学界未曾记载的新物种。

这项发表于《Scientific Data》的研究，通过施加贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus altitudinis)、哈茨木霉(Trichoderma harzianum)等商业菌剂及氮源调控，在30天田间实验中构建了秸秆覆盖降解模型。研究团队采用Illumina NovaSeq.6000平台对65个样本进行测序，运用nf-core/mag流程进行共组装(co-assembly)和分箱(binning)，通过CheckM2、GTDB-Tk2等工具严格质控，最终获得116个秸秆表面来源和30个土壤来源的宏基因组组装基因组(MAGs)。

微生物群落结构特征

通过GTDB-Tk2分类显示，放线菌门(Actinomycetota, n=56)和假单胞菌门(Pseudomonadota, n=41)在秸秆降解体系中占主导地位。UMAP降维分析发现，这些菌群的CAZymes注释、直系同源基因簇(COG)计数和KEGG通路谱呈现明显聚类特征，提示其具有相似的代谢功能偏好。

功能基因分布规律

COG注释显示，芽孢杆菌门(Bacillota)MAGs在氨基酸转运代谢(E)、碳水化合物转运代谢(G)等功能类别显著富集。而酸杆菌门(Acidobacteriota)则富含假设功能基因(R)和信号转导机制(T)相关基因。KEGG通路完整性分析发现，热变形菌门(Thermoproteota)等8个门类拥有完整的淀粉/糖原降解(T)通路基因集，其中3个门类还具备合成β-葡萄糖苷酶(E)的全套基因。

碳水化合物活性酶谱系

基因组大小跨度达1-12 Mbp的MAGs中，拟杆菌门(Bacteroidota)和酸杆菌门展现出最丰富的CAZymes多样性。特别是鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium)等菌株的MAGs显著富集多糖裂解酶(PLs)、糖基转移酶(GTs)和糖苷水解酶(GHs)。Draconibacterium属的FBaNitSoil0_7基因组携带大量GHs基因家族，这些酶类是纤维素代谢的关键催化剂。

这项研究通过整合基因组学与酶学数据库，揭示了哥伦比亚农业生态系统中隐藏的微生物降解潜力。不仅发现了可能的新分类单元，更鉴定出具有木质纤维素转化能力的核心酶系，为开发基于微生物组工程的秸秆还田技术提供了基因资源宝库。该数据集通过GUNC嵌合体检测等严格质控，确保基因组数据的可靠性，为全球农业废弃物资源化研究提供了标准化参考框架。

关键技术方法包括：采用Illumina NovaSeq.6000平台对哥伦比亚稻田秸秆覆盖实验样本进行宏基因组测序；使用nf-core/mag流程进行共组装和MaxBin2/MetaBAT2分箱；通过CheckM2、BUSCO、GUNC进行质量评估；利用GTDB-Tk2进行物种注释；运用dbCAN3进行CAZyme注释；采用KEGG Decoder分析代谢通路完整性。