水稻田周粘体硝酸盐还原途径的物候依赖性重组

《Environmental Microbiology》：Phenology-Dependent Reorganization of Nitrate Reduction Pathways in Rice Paddy Periphyton

　　

摘要

微生物组介导的硝酸盐转化是农业生态系统中氮循环的核心，但将微生物功能组织与生态系统尺度氮素产出联系起来的调控原理仍知之甚少。本文结合在整个水稻生长周期中的¹⁵N标记追踪、高通量定量PCR阵列和多组学分析，以及涵盖15个水稻种植区的分蘖期调查，发现稻田附生微生物是一个具有时间动态性的异化硝酸盐还原（DNR）系统，其相关基因在地理上广泛分布。在有氧培养条件下（溶解氧> 5 mg L^?1），早期群落以表达norB/norC的不完全反硝化菌为主，产生瞬态N₂O；而后期群落则转向进行异化硝酸盐还原为铵（DNRA）活性并表达nirB/nirD–nrfA/nrfH的类群，促进铵的产生。这一转变表明硝酸盐/亚硝酸盐还原途径发生了与物候相关的重新分配，将硝酸盐来源的氮从气态中间产物转向铵的保留。宏转录组学证实反硝化受到协同抑制且DNRA被激活，表明微生物组层面发生了从氮素损失到氮素保留的转换。在调查的各区域中，两条途径均广泛分布但呈纬度结构化分布，DNRA平衡指数在中等纬度达到峰值，呈现广泛单峰模式。综合而言，这些结果确定附生微生物是稻田中将微生物组组织与氮循环结果联系起来的重要双重功能DNR系统。

图形摘要

土壤-淹水界面的附生微生物作为一个动态的异化硝酸盐还原系统发挥作用，在水稻生长早期从产生N₂O的不完全反硝化转向后期产生铵的DNRA途径。微生物群落、功能基因和转录活性的协同变化支撑了这种依赖于物候的途径重组。在15个水稻种植区中，与两条途径相关的基因地理分布广泛但呈生物地理学结构化分布。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

本研究产生的序列数据已存入NCBI数据库，登录号为PRJNA1515461和PRJNA1515449。支持信息可在论文的在线版本中获取。