水稻根际来源的甲烷氧化菌群NCN8促进根系生长并降低淹水稻田甲烷排放强度

《Applied Soil Ecology》：A rice rhizosphere-derived methanotrophic consortium enhances root growth and reduces methane intensity in flooded soil

　　

水稻根际来源的甲烷氧化菌群（methanotrophic consortium）能够增强根系生长并降低淹水稻田中的甲烷（CH₄）排放强度。研究人员从水稻根际区域分离获得两个甲烷氧化菌群（NCN8与UCBe9）。在温室盆栽条件下，两种菌群均使CH₄排放量减少超过15%。经优化的盆栽尺度施用NCN8实现了高达27%的甲烷减排，并提高了籽粒产量。NCN8代表一种有前景的生物接种剂（bioinoculant），将甲烷氧化、推定固氮（putative nitrogen fixation）与根系生长促进相联系。

水稻是全球过半人口的主粮作物，全球稻米消费量已从1960年的1.57亿吨增至2022年的5.2亿吨，预计2030年还将增加约6%。水稻生产在保障粮食安全的同时，也是人为温室气体（greenhouse gases，GHGs）尤其是甲烷（CH₄）的重要排放源。CH₄的百年和二十年全球增温潜势（global warming potential，GWP）分别为CO₂的28倍和84倍，生产1 kg稻米约向大气排放100 g CH₄。传统稻田甲烷减排策略主要依赖水分管理、肥料管理和栽培措施；微生物接种剂作为可持续农业的潜在工具受到关注，但甲烷氧化菌（methanotrophs）在水稻系统中的生物接种潜力此前未被充分探索，多数研究仅停留在应用层面而缺乏菌株的系统表征。为此，研究人员从水稻根际分离甲烷氧化菌群，结合基因组解析、温室盆栽验证和根际群落分析，评估其能否强化甲烷氧化功能群、促进根系生长并降低淹水土壤中产量尺度甲烷排放。

研究人员从韩国Sacheon稻田采集水稻（Oryza sativa L. ssp. japonica var. Saeil-mi）根系样品，经富集分离获得两个甲烷氧化菌群NCN8和UCBe9，通过生长动力学、固氮表型测试、扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）和全基因组测序进行表征，并在连续两年温室盆栽试验中验证其甲烷减排、促生效果及对根际微生物群落的影响。结果表明，NCN8（Methylocystis–Methylophilus联合体）兼具甲烷减排、根系生长促进与推定固氮能力，显著降低甲烷排放强度并提高籽粒产量，且未显著扰动根际微生物群落整体结构，是淹水稻田生物接种剂的有前景候选。

研究者采用的关键技术方法包括：从韩国Sacheon稻田水稻根际采集根系样品，以NMS-Cu和UMS-Cu培养基在20% CH₄/80%空气顶空下连续富集传代，经pmoA和16S rRNA基因PCR监测并分离菌群；通过OD₆₀₀生长曲线、无氮培养基功能固氮测试和nifH/nifD基因扩增评估表型，结合SEM观察形态；对NCN8进行PacBio Sequel IIe全基因组测序，用Prokka注释并计算平均核苷酸一致性（average nucleotide identity，ANI）、平均氨基酸一致性（average amino acid identity，AAI）和计算机模拟DNA-DNA杂交（in silico DNA-DNA hybridization，isDDH）进行基因组比较。温室盆栽试验连续两年，采用根浸蘸加根部接种，密闭箱法配合气相色谱-火焰离子化检测器（flame ionization detector，FID）测定CH₄排放，计算累计排放和甲烷强度；利用16S rRNA基因V3–V4和V5–V6区扩增子测序分析根际微生物群落，并用方差分析（ANOVA）、Tukey HSD和置换多元方差分析（PERMANOVA）进行统计。

### 3.1 接种微生物的富集与表征

在30°C条件下，NCN8和UCBe9在36 h内OD₆₀₀均超过2，比生长速率分别为0.1052 h^?1和0.0967 h^?1。SEM显示两个菌群各含两种形态不同的细胞类型。NCN8基因组由Methylocystis sp.（4.22 Mbp）和Methylophilus sp.（3.04 Mbp）两条环状染色体及两个分别长162 kb和87 kb的Methylocystis质粒组成。基因组比较显示，NCN8中的Methylocystis成员与Methylocystis parvus OBBP的ANI、AAI和isDDH分别为83.23%、85.04%和35.5%，均低于种划分阈值，提示其可能为Methylocystis属内推定的新种系；Methylophilus成员与Methylophilus sp. DW102最为接近，ANI为97.29%、AAI为98.1%、isDDH为82.3%。

### 3.2 固氮能力

两个菌群均扩增出固氮酶结构基因nifH和nifD，但在无氮培养基功能实验中，仅NCN8能以CH₄为底物实现显著生长，表明NCN8具有功能性的嗜重氮营养表型。

### 3.3 比较基因组分析

NCN8基因组中含有完整的nifH、nifD、nifK等固氮基因簇。此外，基因组挖掘发现其具备吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）生物合成相关基因，包括吲哚-3-丙酮酸（indole-3-pyruvate，IPyA）途径的关键限速基因ipdC以及吲哚-3-乙酰胺（IAM）途径的amidase基因amiE，并含有完整色氨酸合成操纵子（trpA–E），提示其可能具有合成植物生长素相关前体的潜力。

### 3.4 核苷酸序列登录号

NCN8两成员的基因组序列已提交至GenBank，登录号分别为CP172975（Methylocystis sp. NCN8染色体）、CP172976和CP172977（两个质粒）以及CP173101（Methylophilus sp. NCN8染色体）。

### 3.5 甲烷氧化型生物接种剂对甲烷排放的影响

第一年盆栽试验中，与对照相比，接种NCN8和UCBe9使累计CH₄排放分别显著降低15.49%和16.41%；在计入籽粒产量后，甲烷强度（kg CH₄ t^?1 rice）分别显著降低34.64%和35.94%。第二年以NCN8进行剂量优化试验，低浓度（LOW）和高浓度（HIGH）接种分别使累计排放降低15%（未达显著）和27%（显著），同时甲烷强度分别显著降低44%和50%。

### 3.6 对植物生长的影响

第一年，NCN8和UCBe9接种显著提高了籽粒产量，分别达6.37 t ha^?1和6.43 t ha^?1，对照为4.90 t ha^?1；NCN8处理还显著增加了稻草重和每丛穗数，并使根重（19.83 g）达到对照（9.70 g）的两倍以上。第二年，LOW和HIGH处理在根生物量、株高、稻草重、千粒重和成熟率等指标上呈数值增加但多未达显著；籽粒产量处理间差异显著（p=0.029），仅LOW处理的增产显著。

### 3.7 对细菌和古菌种群的影响

第一年根际16S rRNA基因测序共获得7108个细菌扩增子序列变体（amplified sequence variant，ASV）和2497个古菌ASV，Pseudomonadota、Bacillota等为优势细菌门，Euryarchaeota为优势古菌门。接种未显著改变根际微生物群落的整体组成和多样性，但NCN8和UCBe9处理中Methylocystis属相对丰度（分别为1.79%和2.62%）显著高于对照（0.92%）；第二年HIGH组中Methylocystis相对丰度（5.3%）显著高于LOW组（1.9%）和对照（1.5%）。

讨论部分指出，NCN8中Methylocystis与Methylophilus的稳定共存可能基于互利代谢交互，如甲烷氧化菌分泌甲醇或乙酸盐被甲基营养菌利用，但具体交换物质和方向仍需共培养与代谢示踪实验证实。观测到的甲烷减排与甲烷氧化活性相符，但不能排除接种通过改变根系分泌物或土壤氧化还原电位而抑制产甲烷菌的间接效应。甲烷强度的大幅