不同类型好氧甲烷氧化菌在我国典型水稻土壤中的分布规律和竞争机制

Aerobic methanotrophs in paddy soils are capable of oxidizing methane at high concentration, which is critical to the atmosphere methane balance and soil carbon sequestration. Studies have shown wide distribution of phylogenetically and physiologically distinct groups of methanotrophs, which form a unique compositional structure and competitive relationship in adaption to constant environmental fluctuation caused by anthropic field management. However, the responses of methanotrophs to different environmental variables and the underlying mechanisms are still largely unknown. Using stable isotope probing technique, this project aims to track down the methane oxidation progress by aerobic methanotrophs in paddy soils. Combining high-throughput sequencing platform the composition of active methanotrophs will be characterized within 20 typical paddy soil samples across the mainland of China. By regulating methane, oxygen and inorganic nitrogen concentrations, the shifts in methanotrophic activities and population dynamics will be monitored. Further, the competition between different soil methanotrophic phylotypes will be simulated and observed by mixing two paddy soils dominated by distinct methanotrophic groups, and the molecular mechanisms of metabolic regulation will be revealed by metatranscriptomics. All findings will contribute to the better understanding of the competition between different methanotrophic phylotypes driven by environmental factors.

水稻土壤中的好氧甲烷氧化菌能够进行高浓度甲烷的氧化，对维持大气甲烷浓度平衡起到至关重要的作用。研究表明，系统发育关系和生理代谢过程各异的甲烷氧化菌群在稻田系统中广泛分布，并在适应长期人为干扰的环境波动条件下形成独特的微生物群落组成特征和竞争共存关系。但是，环境因子如何影响甲烷氧化菌活性和竞争关系，目前尚不明确。本项目针对中国20份典型水稻土壤，利用稳定性同位素示踪复杂环境样本中的好氧甲烷氧化过程，结合高通量测序技术揭示稻田土壤甲烷氧化菌的分布状况和活性特征；通过调节甲烷浓度、氧气浓度和无机氮源这3个主要的环境变量监测不同类型甲烷氧化菌在土壤中丰度和活性的变化规律；最终将活性甲烷氧化菌类型不同的土壤两两混合，模拟外源土壤菌种侵袭，研究土壤中原始甲烷氧化菌丰度和活性变化，进一步通过环境微生物转录组技术阐述相关的分子代谢调控机制。该研究将有助于加深对环境因子驱动不同类型甲烷氧化菌竞争机制的认识。

水稻土壤中的好氧甲烷氧化菌能够进行高浓度甲烷的氧化，对维持大气甲烷浓度平衡起到至关重要的作用。研究表明，系统发育各异的甲烷氧化菌群在稻田系统中广泛分布，并在适应长期人为干扰的环境波动条件下形成独特的微生物群落组成特征和竞争共存关系。但是，环境因子如何影响不同甲烷氧化菌活性和群落分布，目前尚不明确。本项目针对中国21份典型水稻土壤以及3份孟加拉水稻土壤，利用稳定性同位素示踪复杂环境样本中的好氧甲烷氧化过程，结合高通量测序技术揭示稻田土壤甲烷氧化菌的分布状况和活性特征，揭示了氧化高浓度甲烷微生物的普遍规律。其中传统好氧甲烷氧化菌Ia类群在大部分的稻田土壤中发挥主要的甲烷氧化活性作用，而在少数土壤中由IIa类群主导。影响这些不同类型甲烷氧化菌分布的主要环境因素包括土壤pH值和田间甲烷排放量，而其他的环境因素如无机氮施肥和田间温度对甲烷氧化菌的群落结构不造成明显的改变。本项目进一步研究不同土壤RNA提取方法对活性甲烷氧化菌研究的影响，结果表明不同土壤RNA提取方法对RNA的纯度和浓度有影响，但是对总微生物以及甲烷氧化菌的结构研究影响不大。这一结论为未来进一步通过环境微生物转录组技术阐述相关的分子代谢调控机制研究提供技术支持。本研究结果有助于加深对环境因子驱动不同类型微生物竞争机制的认识。