水稻对褪黑素和氮的转录组响应将改变的碳-氮代谢与甲烷排放动态联系起来

《Journal of Environmental Management》：Transcriptomic responses of rice to melatonin and nitrogen link altered carbon–nitrogen metabolism to methane emission dynamics

　　

摘要

稻田甲烷（CH₄）排放是温室气体的主要来源之一，并受氮肥施用强烈影响。本研究调查了两种氮水平（75 kg/ha，N1；150 kg/ha，N2）与灌溉褪黑素（100 μM）对CH₄动态、水稻生长及叶片转录组的交互影响。甲烷浓度在处理后36–56天（分蘖期）达到峰值，在单施N2条件下达到121 ± 11 ppm，当褪黑素与氮肥共同施用时，排放降低了30–50%（p < 0.05）。氮处理增加了地上部生物量和叶绿素含量，而单施褪黑素对生长的影响较小，但显著改变了生物量向根部的分配。RNA-seq分析在N2+褪黑素比较中鉴定了1376个差异表达基因（DEGs，|log₂ fold-change| > 2，校正p < 0.05）。KEGG富集分析显示，氨基糖和核苷酸糖代谢、糖酵解/糖异生、氮代谢及光合作用是最受影响的途径。在这些途径中，编码UDP-N-乙酰葡糖胺焦磷酸化酶、果糖激酶、丙酮酸脱羧酶、硝酸盐转运蛋白和光系统II组分的基因受褪黑素显著改变。对18个DEGs进行定量RT-PCR验证，RNA-seq与qRT-PCR的log₂ fold-change之间呈显著正相关（Pearson R = 0.307，R² = 0.094，p = 0.003）。这些转录特征表明，褪黑素（尤其在施氮条件下）重新编程了碳和氮代谢，减少了产甲烷菌可利用的活性碳底物。将这些结果与同一实验的配套16S rRNA微生物组研究（显示甲烷氧化菌显著富集）结合解读，为褪黑素介导的稻田甲烷减排提供了植物分子框架。

引言

水稻（Oryza sativa. L）是全球超过一半人口的主要粮食作物，约占世界耕地面积的11%。目前，水稻贡献了全球总食物能量摄入的21%。然而，随着全球人口预计在2050年从78亿增至99亿（Chen等，2014年），水稻需求预计将大幅增加。据估计，水稻产量需要增加70%才能满足这一不断增长的需求。如果单位收获面积的甲烷排放量保持不变，仅水稻种植面积的扩展就可能导致大气甲烷排放显著增加（Neue，1997年）。人们已采用各种策略来提高水稻产量，包括施用氮肥，这能显著改善作物生产力。然而，氮肥过量使用会导致养分利用效率低下，大约60%的施肥量未被作物吸收。相反，过量氮被土壤微生物利用，最终增加了甲烷（CH₄）排放、降低了谷物产量，并导致稻田温室气体（GHG）排放过量（Avasthe等，1993年）。

稻田是甲烷的主要人为来源，甲烷是一种强效温室气体，约占全球大气甲烷排放量的11%（Jiang等，2017年）。甲烷是仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大温室气体，年均增长率为0.8%。尽管甲烷排放量低于CO₂，但其全球变暖潜势高出21倍（Prinn，1994年）。甲烷主要由水稻根际在厌氧条件下由产甲烷古菌产生，并通过水稻植物的通气组织释放到大气中（Liesack等，2000年）。三个关键生物过程参与稻田甲烷排放：产甲烷菌产生甲烷、甲烷氧化菌氧化甲烷，以及甲烷通过植物系统的运输。重要的是，所有这些过程都直接或间接受氮肥施用影响（Cai等，2007年）。除氮素输入外，根系分泌物、水分管理、土壤性质和根际微生物群落也在调节甲烷动态中发挥重要作用（Conrad，2007年）。

氮肥施用对于实现水稻高产至关重要，主要通过增强光合作用、碳代谢和碳水化合物分配来实现（Mathan等，2021年；F. Wang等，1997年）。然而，氮肥过量施用也可能通过增加植物生物量和土壤碳输入而促进产甲烷活性，从而促进甲烷产生（Yang等，2021年）。水稻生长是稻田甲烷产生的关键因素，因为它为产甲烷菌提供了更多碳源，而氮肥施用在此过程中发挥核心作用。以往研究确定，氮肥施用导致的植物生物量增加与甲烷产量升高直接相关（Cai等，2007年）。在微生物群落水平上，氮肥施用不仅影响甲烷产生，还影响甲烷氧化。因此，其对甲烷排放的总体效应取决于刺激产甲烷菌和甲烷氧化菌生长与活性之间的平衡（Schimel，2000年）。

已实施各种策略来减轻稻田甲烷排放，包括水分管理、生物炭施用、秸秆还田以及种植高产低甲烷排放水稻品种（Aulakh等，2001年）。植物生长调节剂被广泛用于调节植物生长和发育过程，如细胞分裂、细胞伸长、蛋白质合成和整体植物构型（Borah和Baruah，2016年）。然而，仅有少数研究考察了它们在减轻稻田温室气体排放中的作用，其影响甲烷产生和排放的遗传机制仍 largely 未知（Borah和Baruah，2016年；Bordoloi等，2018年）。一项研究报告称，施用吲哚乙酸（IAA）和激皮素（KIN）相比对照组植物减少了10%的甲烷排放，突显了植物生长激素在甲烷减排中的潜在作用（Borah和Baruah，2016年）。

褪黑素（N-乙酰-5-甲氧基色胺）是一种天然存在于植物、动物和藻类中的内源性吲哚胺，植物中的浓度高于动物（Nawaz等，2016年）。以往研究表明，褪黑素能促进种子萌发、根系发育、光合作用和光合产物分配，同时改善花粉活力和水稻生产力（Barman等，2024年；Muhammad等，2022年）。此外，据报道褪黑素还能增强氮同化、叶绿素含量和生物量积累。

（Teng等，2022年；Zhao等，2012年）。由于光合产物分配影响土壤碳可用性，褪黑素可能通过改变植物碳和氮代谢而间接影响甲烷排放。尽管褪黑素在各种生物和非生物胁迫条件下的研究已经广泛展开，但其在温室气体排放方面，特别是稻田甲烷排放方面的作用仍 largely 未被探索。

同一实验的配套16S rRNA基因扩增子研究最近证明，褪黑素–氮组合富集了甲烷氧化菌属，并使甲烷排放减少了约50%（S. Asif等，2025年）。然而，伴随这些微生物和气体通量变化的植物转录响应仍未被探索。我们假设褪黑素施用改变了控制碳和氮代谢的基因表达，特别是氨基糖代谢、糖酵解、氮同化和光合作用中的基因，从而减少了支持产甲烷活性的根系来源底物的通量。为检验这一假设，我们对六种处理（对照、褪黑素、N1、N1+褪黑素、N2、N2+褪黑素）下的水稻叶片进行了RNA-seq分析，鉴定了与CH₄排放动态相关的差异表达基因和富集途径。我们通过qRT-PCR验证了关键基因，并将转录组数据与先前发表的微生物组结果结合解读，提出了一个褪黑素驱动的甲烷减排的植物–微生物整合框架。

各节摘要

实验设计

水稻品种 Ilmi 用于所有实验的植物材料。播种用土壤采集自庆北大学龟尾试验田。氮以尿素（46% N）的形式施用，施用量相当于75 kg/ha（N1）和150 kg/ha（N2），在播种前与50孔育苗盘中的土壤充分混合，每个孔有78 g土壤。土壤总氮为0.14%，有机碳为1.22%，氢为0.53%，铁为31,203 ppm，硫为315.73 ppm，体积含水量

甲烷测定

在施用不同浓度氮和褪黑素后，间隔测量甲烷排放量，直至抽穗期。如图1所示，一组比较将所有处理与对照进行比较，另一组比较评估了单施褪黑素与对照、N1与N1+M、N2与N2+M之间的比较。单施褪黑素降低了甲烷排放，而单施氮增加了排放。然而，当褪黑素

讨论

在本研究中，我们评估了氮肥施用和褪黑素施用对水稻甲烷排放、植物生长和转录组响应的影响。我们的发现表明，甲烷排放随不同生长阶段而变化，在分蘖期（36–56 DAT）达到峰值，在氮施肥条件下记录了最高排放量。这与先前的报告一致，表明增加的氮可用性增强了土壤微生物活性，可能导致

结论

本研究为褪黑素在甲烷代谢中的调控作用提供了新的见解，表明在淹水温室条件下栽培的水稻，在氮施肥下施用褪黑素与较低的甲烷排放相关。RNA-seq分析鉴定了介导这些效应的主要代谢途径（氨基糖代谢、糖酵解、氮代谢和光合作用），qRT-PCR验证确认了转录组学发现。褪黑素

CRediT作者贡献声明

Saleem Asif：撰写 – 初稿、方法学、调查、形式分析、概念构思。Sajjad Asaf：软件、数据整理、概念构思。Rahmatullah Jan：方法学、调查、形式分析。Nari Kim：方法学、调查、形式分析。Lubna：撰写 – 初稿、数据整理。Zakir Ullah Khan：方法学、调查、形式分析。Kyung-Min Kim：监督、资源、项目管理、经费获取、数据整理，

资助

不适用。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或人际关系，这些可能影响本文所报道工作的判断。

致谢

本研究是在"农业科学与技术发展合作研究计划"（项目编号：RS-2025-02214096）的支持下完成的。

Saleem Asif | Sajjad Asaf | Rahmatullah Jan | Nari Kim | Lubna | Zakir Ullah Khan | Kyung-Min Kim

庆北大学沿海农业研究院，韩国大邱，41566