大气[CO2]升高对稻田生态系统中厌氧氨氧化和厌氧甲烷氧化微生物的影响

Atmospheric CO2 enrichment can enhance rice nitrogen uptake, which may cause the change of soil N transformation. Recently, it was found that the nitrite-dependent anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) and anaerobic methane oxidation (N-DAMO) processes were closely associated with soil N transformation. In order to verify the effect of global climate change to paddy field ecosystems, we will study the response and feedback of ANAMMOX and N-DAMO microorganisms to evaluated CO2. Based on the China FACE platform, at the levels of field and laboratory, we will investigate the changes of ANAMMOX and N-DAMO activities under evaluated CO2 using stable isotope tracing method; reveal the varied ANAMMOX bacteria and N-DAMO bacteria community structure by multiple molecular biology technologies, e.g. high-throughput sequencing and real-time quantitative PCR; and unravel the shifts of the active microorganism groups in the processes of ANAMMOX and N-DAMO using DNA-SIP technology. This study will improve our understanding of the paddy soil N transformation under elevated CO2 and its microbial mechanisms.

大气[CO2]升高会增加水稻吸氮量，对土壤中氮素转化过程产生影响。近来发现厌氧氨氧化（ANAMMOX）与厌氧甲烷氧化（N-DAMO）过程与水稻土氮素转化过程密切相关。为全面揭示未来全球气候变化对稻田生态系统的影响，本项目拟依托我国FACE试验平台，结合室内培养和田间试验，通过稳定性同位素标记方法明确大气[CO2]升高对水稻土ANAMMOX和N-DAMO作用强度的影响；通过荧光定量PCR和高通量基因组测序等分子生态学技术，阐明大气[CO2]升高对水稻土ANAMMOX和N-DAMO微生物群落多样性和功能的影响；利用稳定性同位素核酸探针技术，揭示该两类微生物中主导类群对大气[CO2]升高的响应。该结果将有助于全面了解大气[CO2]升高对水稻土氮素转化过程的认知及其微生物学机制。

在人类活动导致的大气[CO2]升高背景下，稻田土壤生态系统中厌氧氨氧化（ANAMMOX）与厌氧甲烷氧化（N-DAMO）过程对于土壤氮转化过程的贡献以及相关的功能微生物群落特征尚不清楚。项目依托中国FACE（Free Air CO2 Enrichment）平台，利用同位素示踪技术研究了水稻土中ANAMMOX和N-DAMO过程的活性对大气[CO2]升高条件的响应，采用生物信息学手段对水稻土中ANAMMOX和N-DAMO微生物丰度和群落在基因组和转录组水平上的特征。研究结果表明，水稻土中存在明显的ANAMMOX和N-DAMO过程，其活性分别为15.2～34.8 nmol N2 g-1 d-1和0.12~0.30 nmol CO2 g-1 d-1；ANAMMOX微生物和N-DAMO微生物的丰度分别为4.8 × 105 ~ 5.2 × 105 copies/g.w.s和2.3 × 105 ~ 3.1 × 106 copies/g.w.s。大气[CO2]升高显著增加了Candidatus Brocadia和浮霉菌门中ANAMMOX微生物，而显著减少了NC10门JH-WHS47目的N-DAMO微生物，从而驱动改变了厌氧环境中氨氧化和甲烷氧化的活性。对于不同应答水平水稻品种的研究表明，高应答水稻品种会显著增加大气[CO2]升高条件下水稻土厌氧环境中微生物群落特征的差异。在项目支持下，在Science of the Total Environment （IF = 4.610）和Frontiers in Microbiology （IF = 4.019）杂志上以第一作者发表SCI论文2篇。研究成果得到了国内外同行的一致认可，认为该成果从关键功能微生物群为出发点较为系统地预测了未来全球气候变化对典型农田生态系统的影响，为利用土壤微生物应对全球气候变化，以更好地为人类服务提供了理论基础和实践指导。