热带常绿林咖啡-茶复合种植园土壤放线菌对异戊二烯的生物降解及其基因组特征

本研究针对热带生态系统异戊二烯（isoprene）微生物降解机制不清的问题，通过分析咖啡-茶复合种植园土壤微生物群落，分离出高效降解菌株Rhodococcus和Gordonia（Actinomycetota），证实其携带isoA基因及保守iso基因簇，降解率达50.3%-69.1%，为理解热带森林碳循环及气候调节提供新见解。

　　

异戊二烯（isoprene）作为植物释放量第二大的挥发性有机物（仅次于甲烷），虽不直接危害健康，却能与大气中的氮氧化物反应生成有害臭氧，还能通过消耗羟基自由基延长甲烷寿命，加剧全球变暖。每年约5亿吨的天然排放量中，约20.4太克被土壤微生物降解，但热带生态系统的降解机制研究仍存空白。尤其在高海拔热带常绿林这类气候敏感区域，咖啡（Coffea arabica）和茶（Camellia sinensis）作为主要经济作物与森林共生，其根际微生物是否参与异戊二烯循环尚不明确。

为解决这一问题，研究人员以泰国清迈海拔1300米的高地森林为研究对象，采集咖啡和茶树根际土壤，通过微宇宙实验结合基因组学手段，首次揭示了热带农林系统中放线菌门细菌的异戊二烯降解潜力。该成果发表于《Current Research in Microbial Sciences》。

研究采用气相色谱（GC-FID）测定土壤微生物对7.2×10⁵ ppbv异戊二烯的降解效率，通过16S rRNA测序和全基因组测序（Illumina NovaSeq6000平台）鉴定功能菌株，并利用PATRIC平台进行基因簇比较分析。

3.1 土壤理化性质
旱季咖啡林土壤表现出最高降解率（36.54%），与高交换性钾（221.81 mg·kg^-1）显著相关；茶树根际土壤降解率则与pH值呈强正相关（r=0.92）。

3.2 微生物降解效率
96小时培养显示，非灭菌土壤降解率达11.95%-36.54%，显著高于灭菌对照组（<4.42%），证实降解由微生物驱动。

3.3 功能菌株分离
从土壤中分离出三株放线菌：Rhodococcus qingshengii C3V（咖啡林）、R. wratislaviensis T2V和Gordonia polyisoprenivorans N1V（茶树），均携带isoA基因。

3.4 降解能力验证
7天培养中，Rhodococcus菌株降解率最高（T2V达69.07%，OD₆₀₀=1.32），显著高于Gordonia N1V（50.28%）。

3.5-3.7 基因组特征
比较基因组显示，所有菌株均含完整isoABCDEF簇（编码异戊二烯单加氧酶）和isoGHIJ簇（编码谷胱甘肽转移酶）。IsoA蛋白序列与已知降解菌株相似度>75%，其中Gordonia N1V的IsoA-IsoJ与模式菌株i37完全一致。

该研究首次证实热带农林系统土壤放线菌可通过保守的iso基因簇高效降解异戊二烯。值得注意的是，尽管咖啡和茶树并非主要异戊二烯排放源，其根际仍富集降解菌群，暗示这类农林系统可能成为潜在的大气异戊二烯"汇"。研究为评估热带森林碳循环提供了微生物学依据，并为开发基于放线菌的气候调节策略奠定基础。未来需进一步开展原位验证，并探究不同农林模式下微生物群落的降解功能差异。