近地层臭氧浓度升高下稻田甲烷排放变化的微生物学机制研究

As one essential element of global climate change, the knowledge of how elevated ground-level ozone (O3) affects paddy CH4 emission and its microbial mechanisms is limited. For such a purpose, we will carry out a field investigation in the China Ozone Free-Air Concentration Enrichment (FACE-O3) facility on a rice-wheat rotation system. Our own developed chamber-based automatic sampling instrument will be used to accurately monitor paddy CH4 flux and calculate its seasonal emission under elevated ground-level O3; 454 pyrosequencing and microcalorimetry techniques, in combination with traditional and normal molecular approaches, will be utilized to analyze responses of paddy methanogens, methanotrophs as well as other bacteria and eukaryotes in order to reveal the related microbial mechanisms. This information is of great help towards the comprehensive understanding of responses and feedbacks of paddy ecosystem to global climate change.

全球气候变化重要组成之一的大气臭氧浓度升高对稻田甲烷排放的研究才刚刚起步，其微生物学机制更尚不明确。本项目基于中国FACE-臭氧实验平台，在模拟未来自然生态环境条件下，应用自行研制开发的密封箱式气体自动采集装置，精确监测甲烷排放，计算大气臭氧浓度升高下稻季甲烷排放的变化量；联合传统方法和以454高通量基因测序和微量热测定为主的现代土壤微生物分析手段，研究大气臭氧浓度升高下稻田产甲烷古菌、甲烷氧化细菌、土壤其他细菌和真核微生物群落的演替和功能的变化，揭示稻田甲烷排放变化的微生物学机制。本项目为全面、综合评判未来全球气候变化对稻田生态系统的影响，以及稻田生态系统的反馈打下理论基础和提供科学依据。

全球气候变化会影响土壤微生物所驱动的地球化学循环过程；而后者又会反过来进一步影响全球气候的变化。产甲烷古菌是稻田生态系统代表性微生物，负责稻田甲烷的生成。稻田产甲烷古菌对全球气候变化中的大气二氧化碳浓度升高、全球增温效应的响应已多有报道，但对全球气候变化中另一个重要组成部分，近地层臭氧浓度升高的响应却鲜有研究。此外，全球气候变化通过植物而间接影响土壤微生物的多样性和功能。全球气候变化对不同作物，甚至同一作物的不同品种有着不同的影响。我们推测其土壤微生物的响应也不尽相同，但是该方面研究报告较少。因此揭示近地层臭氧浓度升高对稻田产甲烷古菌群落的影响及其不同水稻品种下微生物响应的差异将有助于我们更全面的了解全球气候变化对稻田生态系统的影响，以及稻田生态系统的反馈。.利用中国FACE-臭氧实验平台，国际上首次将454高通量基因测序技术应用于稻田产甲烷古菌生态学研究中，获得了15万条产甲烷古菌16S rRNA基因的序列，高分辨率地解析了水稻土中产甲烷古菌的群落结构。研究进一步揭示近地层臭氧浓度升高主要负面影响水稻分蘖期产甲烷古菌群落：产甲烷古菌活性完全被抑制，整体数量有下降趋势，64%的产甲烷古菌物种多样性下降。生态生理学机制推测该现象主要源于乙酸型产甲烷古菌Methanosaeta，因其底物有效性不足而数量显著下降所致。在揭示了产甲烷古菌对近地层臭氧浓度升高的基础上，我们又进一步研究了不同水稻品种细菌和产甲烷古菌的不同响应。近地层臭氧浓度升高负面影响了臭氧耐受型水稻品种根际土壤微生物群落；却增加了敏感型水稻分蘖期根际土壤微生物的多样性。土壤微生物响应的不同因两种水稻品种对近地层臭氧浓度升高的生理和生长响应不同所致。该结果表明作物品种是影响全球气候变化对土壤微生物影响的重要因素。与此同时，我们还发现尽管两个品种水稻根际细菌群落的整体响应不同，但是多个C、N循环过程中的关键功能微生物群均受到近地层臭氧浓度升高的负面影响，即持续升高的近地层臭氧浓度不可避免得会对稻田生态系统生产负面影响。由于产甲烷古菌是碳循环末端的微生物，不同水稻品种土壤细菌响应的不同，也传递给了产甲烷古菌，即臭氧高敏感水稻土壤产甲烷古菌的响应要大于臭氧耐受型水稻。该结果表明持续升高的近地层臭氧浓度会抑制稻田甲烷排放，影响稻田生态系统功能的发挥，且不同水稻品种下产的响应存在差异。