《乾濕交替條件下水稻土的碳循環特徵及微生物學機理》是依託中國農業大學，由陸雅海擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：乾濕交替條件下水稻土的碳循環特徵及微生物學機理
- 依託單位：中國農業大學
- 項目負責人：陸雅海
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
水稻土的碳循環直接影響到全球變化、土壤肥力和農業的可持續性發展。水稻土存在著頻繁的乾濕交替過程，乾濕交替強烈影響水稻土的物理、化學和生物學特性。本項目將以我國南方典型水稻土為材料，採用田間試驗與實驗室試驗相結合的方法，系統研究乾濕交替對微生物碳循環過程的影響。研究將套用一系列生物地球化學和分子微生物生態領域的最新研究技術，包括氣相-液相色譜法分析水稻土有機質降解過程的一系列中間產物；元素分析儀-穩定同位素質譜儀檢測不同中間產物的碳穩定同位素豐度；微生物磷脂脂肪酸指紋圖譜、16S rRNA基因的克隆、測序和末端限制性片段長度多態性分析以及穩定同位素探針技術研究參與碳循環過程中關鍵微生物的群落結構；微生物環境轉錄組學技術研究碳循環過程中的主要微生物受氧氣和硝酸鹽脅迫後的功能基因表達譜。研究成果可為完善土壤微生物生態理論，合理管理農田碳循環過程和促進農業的可持續發展提供理論基礎。
結題摘要
人為或自然引起的乾濕交替是水稻土的基本特徵，乾濕交替對水稻土碳循環過程的影響包括：（1）氧氣進入土壤對厭氧微生物產生脅迫作用；（2）微生物氧化－還原過程發生演替；（3）由於氧化作用產生的一系列氧化態物質對碳生物地球化學過程產生間接影響。本項目針對這些問題，開展了深入系統的研究，在厭氧微生物抗氧化脅迫等方面取得了重要進展，共發表SCI論文17篇，培養博士生5名，碩士生4名，與國外同行合作交流20餘人次。獲得如下主要研究成果：（一）闡明了產甲烷古菌對水稻土氧化脅迫的應答機制，我們發現氧氣脅迫下硫酸鹽和Fe(III)濃度明顯增加，激活了硫酸鹽和鐵還原菌，產生與產甲烷菌的底物競爭作用，同時氧氣脅迫可能對乙酸型產甲烷菌產生化學毒性作用。分子分析表明，氧化脅迫沒有明顯影響產甲烷古菌的群落結構，但顯著影響了甲烷古菌的功能基因轉錄，發現新型產甲烷胞菌比甲烷八疊球菌對氧脅迫具有更強抗性。通過多年分離培養努力，我們最後獲得了一株RC-I的純培養物，通過全基因組測序分析和比較基因組學研究，我們發現該甲烷古菌擁有一整套甲烷古菌中罕見的抗氧化脅迫基因，較好解釋了水稻土中甲烷古菌適應乾濕交替的機理。（二）發現水稻土不同乾濕程度對根際和根外土壤的甲烷氧化潛力產生顯著不同的影響，當排水處理較輕時，我們發現間歇性排水沒有顯著影響水稻土中的甲烷氧化菌群落結構，但是增加了根際土甲烷氧化細菌的pmoA基因拷貝數，當排水處理增強時，我們發現排水處理顯著激活了根外土的甲烷氧化潛力，但抑制了根際土和表層土的甲烷氧化潛力。通過功能基因的轉錄分析，我們發現與群落結構相比，根際土中I型氧化菌的轉錄比例顯著增加，排水措施顯著促進了根外土的轉錄水平，尤其促進了I型菌的轉錄。這些研究表明甲烷氧化菌對水稻土環境變化相對比較敏感。（三）揭示了水稻土反硝化中間產物的形成及其對產甲烷古菌群落結構和功能的影響機理，乾濕交替過程的一個重要影響是促進了微生物硝化反硝化過程。我們以亞硝酸鹽還原功能基因為目標分子，分析了加入硝酸鹽對水稻土中反硝化細菌群落和產甲烷古菌群落的影響。我們發現nirS型的反硝化細菌在水稻土的反硝化過程中發揮主要作用。我們詳細研究了硝酸鹽脅迫對水稻土產甲烷過程和產甲烷微生物的影響，結果發現硝酸鹽加入不僅發生底物競爭作用，而且可能還發生了反硝化中間產物對產甲烷菌的直接毒性作用。
