关于水稻土秸秆降解微生物研究取得进展

作者:封丘站  更新时间:2021-06-08

       地球每年产生大量的植物残体,这些外源有机物质的分解在陆地生态系统碳平衡和伴随的全球变化中起着关键作用。微生物是植物残体降解的主要驱动力,后者的命运在很大程度上取决于微生物群落的生态(即群落组成和物种间相互作用)和生理(即编码的酶及其生物化学过程和途径)特性。此外,环境条件(例如土壤肥力)可以通过改变微生物群落来影响植物残体的降解,因此物种的生态生理重要性随环境变化而有所不同。

       放线菌(Actinobacteria)是土壤中分布最广泛的一类细菌,以其卓越的植物残体降解能力而被广泛关注。然而,目前关于放线菌降解植物残体的研究主要是基于纯培养生理层面,且只有部分可培养放线菌被关注。原位条件通常与实验室条件不完全相同,现有研究难以全面、原位反应放线菌在植物残体降解过程中发挥的生态生理的重要性。因此,关于放线菌在不同环境条件下原位降解植物残体的生态生理作用的研究需要深入和验证。

       在中国科学院南京土壤研究所研究员李忠佩、林先贵主持的国家自然科学基金重点项目“亚热带典型水稻土中秸秆降解的微生物代谢网络及其驱动机制(41430859)”资助下,冯有智研究员团队以水稻秸秆为研究对象,一是通过秸秆原位埋袋降解实验结合扩增子测序技术,研究了放线菌群落和功能组成的时空变异特征,分析了放线菌和其他优势细菌类群在不同环境下的网络互作关系;二是利用13C-秸秆稳定性同位素标记(DNA-SIP)实验结合宏基因组测序技术,明确了放线菌秸秆降解功能的时空稳定性及其在不同环境下的生态生理重要性。

       主要研究结果表明:(1)放线菌“小个子也有大能量”13C-秸秆DNA-SIP宏基因组数据表明:尽管放线菌平均相对丰度仅占总细菌丰度的5%左右,其基因组中CAZyme酶编码基因平均相对丰度却高达16%。将优势细菌基因组中的CAZyme酶编码基因丰度进行均一化处理,结果表明放线菌基因组中编码的CAZyme酶基因平均数量较高。与之相反,秸秆降解过程中的优势物种,例如变形菌门(~37.3%),其基因组中携带的降解相关功能基因平均数量却较低。(2)放线菌秸秆降解的生态生理重要性。三个站点(重庆、常熟和鹰潭)原位秸秆降解细菌高通量测序结果表明:无论是在局域尺度(各站点内部)还是在区域尺度(跨站点间)下,放线菌相对丰度的变异性总体上均小于其他优势细菌,并且其携带降解相关的功能基因在“时间”和“空间”上保持相对稳定。进一步对秸秆降解过程中优势细菌群落和功能组成与秸秆化学组成进行拟合分析发现:随着秸秆化学成分的变化,放线菌群落组成和功能组成的相似性变异幅度均显著低于其他优势细菌类群(酸杆菌除外)。此外,DNA-SIP宏基因组数据进一步证实了放线菌秸秆降解功能的低时空变异性。上述结果暗示放线菌在秸秆降解过程中可能不容易受到环境因素的影响,而能发挥较稳定的降解作用。(3)放线菌秸秆降解生态生理重要性在低肥力土壤下提高。通过对三个不同肥力站点下秸秆降解细菌的分子生态网络分析发现:低肥力土壤下,放线菌和其他细菌之间的网络“正”、“负”连接数均高于高肥力土壤。对低肥力土壤下与放线菌相连的物种进行分析,发现其均具有秸秆降解能力。其中,低肥力土壤下较高的“正”连接数暗示放线菌可促进其他物种共同参与秸秆降解,而较高的“负”连接数暗示其可通过抑制其他物种与其竞争秸秆资源,进而提高放线菌在秸秆降解过程中的重要性。DNA-SIP宏基因组数据进一步表明,低肥力土壤下放线菌物种和功能的丰度显著高于高肥力土壤。低肥力下放线菌较高的抗生素合成基因暗示放线菌在该环境下可能通过合成抗生素抑制竞争者对秸秆资源的获取,从而提高自身在秸秆降解过程中的重要性;而较高的固氮基因暗示放线菌可能通过固定更多的氮供给自身和其他微生物利用,从而共同促进秸秆降解。这也解释了在低肥力土壤下放线菌和其他细菌之间的“正”、“负”连接数高于高肥力土壤的原因。

       该研究明确了放线菌在原位环境下降解植物残体的重要生态生理作用,尽管放线菌丰度不占优势,但其基因组中却携带了大量和植物残体降解相关的功能基因,并且该重要性在低肥力土壤下更加显著。此外,在植物残体降解的整个过程中,放线菌物种组成和功能组成均保持相对较高的稳定性。该研究不仅有助于加深对放线菌在陆地生态系统碳循环中重要生态生理作用的理解,而且对秸秆资源化利用技术的研发也具有重要参考价值。

       相关研究成果发表在微生物学领域期刊《Microbiome》上。

       文章链接:https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-021-01032-x

放线菌秸秆降解的生态生理重要性

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