稻田秸秆分解的微生物学过程与调控机理

Rice straw is rich in organic nutrients, but the utilization rate is less than 30%. One of the important limitation of straw utilization is that the decomposition process of rice straw is still unclear in complex paddy field, especially for the role of key microorganisms and its regulation mechanism. Here, we will use an integrative methodology in which 13C/15N double-labeled rice straw, propidium monoazide (PMA)-based approach, stable isotope probing (SIP) and exogenous straw-decomposing agent (i.e. Bacillus subtilis, Trichodermaviride and the newly discovered groups in this project) will be combined to study: (i) the composition changes in organic matter of straw residue; (ii) the role of core microbial groups and its ecological functions during rice straw decomposition; and (iii) the regulation mechanism of soil nitrogen level and microbial species on rice straw decomposition, in a red paddy soil which is the most typical soil in Jiangxi province. This research would be of great practical and theoretical significance to high-efficient use of rice straw resources and chemical fertilizers.

水稻秸秆是丰富的有机养分资源，但利用率不足30%。限制水稻秸秆养分高效利用的重要瓶颈之一是复杂水田环境下秸秆分解过程不清楚，尤其是对关键微生物的作用过程及其调控机理缺乏深入认识。本项目拟利用13C/15N双标记水稻秸秆，以江西红壤性水稻土为研究对象，研究秸秆还田下水田秸秆残渣主要官能团和有机化合物组成变化；综合运用叠氮溴化丙锭（PMA）预处理、稳定性同位素探针（SIP）以及添加枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、绿色木霉菌（Trichodermaviride）、新发现分解菌等外源腐解菌，明确红壤性水稻土秸秆分解的核心微生物类群及分子生态功能，揭示氮素营养及微生物调控水稻秸秆腐解的作用机理。研究结果为水稻秸秆高效还田及养分资源高效利用提供理论依据。

水稻秸秆是丰富的有机养分资源，当前限制水稻秸秆养分高效利用的重要瓶颈之一是复杂水田环境下秸秆分解相关微生物的生态过程及其调控机理缺乏深入认识。本项目采用田间试验与室内培养试验，结合胞外酶活性测定、磷脂脂肪酸分析、DNA稳定同位素探针分析以及高通量测序，研究氮素营养及外源菌剂调控水稻秸秆分解的作用机理。结果表明稻秸分解速率随施氮量增加而增加，施氮180 kg hm-2下秸秆分解速率最大，水稻产量最高。同时，施氮180 kg hm-2下cbhI和GH48基因丰度较高，β-葡糖苷酶、β-纤维二糖苷酶和β-木糖苷酶活性相应表现出较高的活性，表明cbhI和GH48基因在水稻秸秆分解中起重要作用。放线菌门中的链霉菌目、链胞菌目和棒状杆菌目是水稻秸秆碳源利用的主要微生物类群，真菌群落子囊菌门中的散囊菌目、粪壳菌目和格孢腔菌目在秸秆分解中后期占主导地位。此外，促腐菌通过影响秸秆残体微生物的定殖改变秸秆分解酶活，进而影响秸秆的分解速率，秸秆残体微生物总量、真菌、细菌量以及FUN/BAC、G+/G-与秸秆分解速率呈显著正相关，在田间条件下，假单胞菌可以促进秸秆分解和养分释放，同时增产效果最好，可以作为新型分解菌剂。研究初步揭示了复杂水田环境下水稻秸秆分解与调控的微生物学机制，阐明了秸秆-土壤-外源菌三者之间的相互作用，为水稻秸秆资源高效利用提供了科学依据。