水稻田微生物砷代谢机制研究

全球性砷污染严重危害人类健康,水稻土中的砷形态直接影响到水稻根系对砷的吸收及转移，微生物是影响砷形态变化的重要因素.本申请以水稻土为研究对象，针对水稻土氧化-还原交替的特点，采用分离培养手段和分子生态学技术相结合，筛选不同类型砷代谢微生物，探明水稻土中多种砷代谢相关微生物多样性及砷代谢相关基因多样性；开展人工盆栽试验，研究在氧化还原环境交替过程中，土壤不同形态砷浓度的变化，测定不同类型砷代谢微生物数量动态变化，监测关键砷代谢基因拷贝数动态变化，选取关键时间序列研究砷代谢微生物和关键砷代谢基因多样性；揭示水稻土中砷生物地球化学循环和关键微生物群落的内在联系，为砷污染土壤的生物修复提供可用的微生物资源和理论基础，对于保证粮食安全、维持环境质量、保护人类健康具有重要的意义。

水稻土中的砷形态直接影响到水稻根系对砷的吸收及转移，而微生物是影响砷形态变化的重要因素，同时水稻田干湿交替所带来的有氧和厌氧条件的转化为不同类型的砷代谢微生物提供了合适的环境条件，对砷代谢微生物的研究对于保证粮食安全、维持环境质量、保护人类健康具有重要的意义，本研究主要结果如下：.1）分离得到43株耐砷细菌，分属于四个门：放线菌门Actinobacteria、 变形菌门Proteobacteria、厚壁菌门Firmicutes、拟杆菌门Bacteroidetes；.2）砷代谢基因系统进化分析显示，arrA基因序列可能受到一定的地域差异的影响，同一地域内序列相似性极高(97%以上)，不同地域则相似性较低(70%-80%)。α变形菌可能更倾向于拥有Acr3型As(III)载体蛋白，而arsB则多出现在芽孢杆菌中；.3）对分离到一株均有砷和四环素抗性的菌株LSJC7进行全基因组测序分析。该菌16S rRNA基因序列与Enterobacter cloacaesub sp.dissolvens LMG 2683T具有最高相似性(97.02%)，可能是一株新种。该菌基因组全长4,618,981 bp，GC含量为54.83%.注释结果表明其中含有砷抗性基因，包括两个操纵子arsRDABC和arsRBC。.4）水稻品种对砷代谢基因拷贝数的影响大于生长期对其的影响。土壤总砷浓度不是影响砷还原基因拷贝数的主要因素。根际土壤中arsC2基因拷贝数与水稻地上、地下部砷浓度以及根表铁膜量显著正相关。根际土中arrA拷贝数与水稻地下部砷浓度显著负相关，与砷向地上部转移系数TF显著正相关。表明根际土壤中arrA、arsC2基因拷贝数与水稻体内砷浓度的大小以及水稻对砷的吸收转运间存在着一定的联系。.5）考查了含水量和根际效应对土壤中五种砷还原及外排基因拷贝数的影响。含水量对ACR3(2)，arsB，arsC1基因丰度具有显著影响，且65% WHC>35% WHC>105% WHC，说明土壤的淹水或者干旱环境会导致这三种基因丰度的减少；对arsC2，arrA基因拷贝数影响不大。根际效应显著降低根际砷还原基因微生物活性。除arsB外，研究的五种砷还原基因中，非根际土壤有四种基因（ACR3(2)，arsC1，arsC2和arrA）拷贝数均显著高于根际。综合考虑不同含水量和水稻根际环境对水稻土中五种砷代谢