我国典型稻田土壤甲烷氧化菌的地理分布规律研究

Rice field is an important source of atmospheric methane. It is noteworthy that up to 90% of methane may be oxidized by methanotrophs in paddy soil. Historical and contemporary including geographical, meteorological factors and agricultural managements could have likely resulted in distinct microbial biogeographical patterns of methanotrophs, which play an essential role in mitigation of greenhouse gas methane emission. In this project, we will select of > 20 paddy soils to investigate biogeography of type I and type II methanotrophs by using high-throughput sequencing of 16S rRNA genes and transcripts, and pmoA genes in rice fields under in situ field conditions at a national scale across China. Microcosm incubations will be established by amendment with different initial methane concentrations in order to elucidate the biogeographic patterns of microbial methane oxidation kinetics. High-affinity methane oxidation would be further evaluated immediately after complete consumption of high-concentration of methane by exposing the soil sample to methane at atmospheric level. DNA/RNA-SIP will be used to link methane oxidation process with taxonomic identities of active microorganisms grown on the 13C-methane. Furthermore, DNA/RNA-SIP will be used to decipher the diversity and biogeography of active methanotrophs. The expected outcomes of this project are to link methane oxidation kinetics with biogeographic patterns of methanotrophs and to reveal the possible r and/or K-strategy for methanotrophs under various conditions toward a mechanistic understanding of greenhouse gas emission from paddy field.

稻田是大气甲烷的重要源，然而最高可达90%的稻田甲烷排入大气前会被微生物所氧化。长期的地理气候影响和施肥等农业管理措施，导致甲烷氧化菌可能形成地理分布规律，并在稻田甲烷减排方面发挥了重要作用。本研究拟针对我国主要稻作区域，采集>20种典型稻田土壤，以微生物16S rRNA基因及转录本、甲烷氧化菌pmoA基因为靶标，利用高通量测序研究原位稻田土壤甲烷氧化菌组成及转录活性，在科或更低水平揭示I型和 II型甲烷氧化菌在原位稻田环境中的地理分布规律；通过设置不同初始浓度甲烷的培养实验，比较土壤甲烷氧化速率差异，明确高浓度甲烷能否诱导土壤氧化低浓度大气甲烷能力，进一步利用13C示踪土壤中活性甲烷氧化菌的核酸DNA/RNA，揭示参与稻田土壤甲烷氧化过程的活性微生物及其可能的地理分布规律。项目成果有助于深入理解不同植稻环境下甲烷氧化菌的生存策略，为发展稻田甲烷减排措施提供科学依据。

我国是世界上主要水稻种植国之一，长期的地理气候影响和施肥等农业管理措施，可能会导致甲烷氧化菌形成地理分布规律，并影响甲烷排放。本项目首先以我国主要水稻种植区的20种水稻土为对象，研究我国水稻土在原位环境下的甲烷氧化菌地理分布规律。进一步根据原位环境下甲烷氧化菌群落结构特征以及地理气候、理化性质等特征，挑选其中9种水稻土为研究对象，研究不同水稻土甲烷氧化动力学过程以及大气甲烷氧化潜能。并设置稳定性同位素示踪实验，揭示高浓度甲烷环境下活性甲烷氧化菌及其地理分布规律。研究结果表明，在原位条件下不同水稻土甲烷氧化菌群落结构具有显著差异，水稻土甲烷氧化群落结构受到pH和NH4+等环境因子的影响。虽然不同水稻土中拥有不同的甲烷氧化菌群落结构，但是所有20种水稻土在原位条件下均为II型甲烷氧化菌占优势。原因可能是II型甲烷氧化菌具有K-生存策略，更适应寡营养的原位环境。所挑选的9种稻田土壤均不能氧化大气甲烷（~2ppmv），不具备高亲和力的甲烷氧化能力，同时也不能氧化100ppmv甲烷。当甲烷浓度达到1000ppmv时，水稻土开始发生甲烷氧化作用，但是只有一种水稻土能被诱导产生氧化大气甲烷的能力。当水稻土被10000ppmv甲烷培养后，所有9种水稻土均能氧化大气甲烷，获得高亲和力的甲烷氧化活性。10000ppmv 13C-甲烷示踪DNA/RNA结果表明，在高浓度甲烷氧化过程中，不同水稻土中活性甲烷氧化菌的群落结构明显不同，这可能是影响水稻土甲烷氧化速率的主要原因。同时我们发现在其中8种水稻土中Ia型甲烷氧化菌的生长速度要大于其他种类的甲烷氧化菌，是氧化高浓度甲烷的主要作用者。与II型甲烷氧化菌相比，Ia型甲烷氧化菌具备r-生存策略，能够迅速响应高浓度的甲烷环境。总体而言，研究结果阐明了不同水稻土的甲烷氧化动力学规律及大气甲烷氧化潜能，揭示了大尺度空间下和高浓度甲烷条件下水稻土中甲烷氧化菌地理分布规律及活性甲烷氧化菌群落结构组成，研究结果初步探讨了不同甲烷氧化菌r-或K-型生存策略，为发展稻田温室气体减排提供理论依据。