森林和稻田土壤大气甲烷氧化微生物及其驱动机制

Microbial oxidation is the only biological sink for atmospheric methane. Methane oxidation by atmospheric methane oxidizing bacteria, which accounts for 5–15% of the global methane sink, is very important for maintaining methane concentration in atmosphere. Microorganism that oxidizes atmospheric methane in aerated soils is a group of special methane- oxidizing bacteria with very high affinity to low-concentration methane. However, so far, the microbial driving mechanism of atmospheric methane oxidation is still unclear. In this project, we selected two representative forest soils and paddy soils and established a set of soil microcosms in the lab. The kinetics of atmospheric methane oxidization of these two soil types were determined and compared to find out the similarities and differences between them. Based on 16S rRNA and pmoA gene, a key functional gene for atmospheric methane oxidizing, real-time quantitative PCR (qPCR) and high-throughput sequencing technology were used to reveal abundance and community composition dynamics of atmospheric methane oxidizing bacteria in these soils during the cultivation process, while transcriptomics technology was used to reveal composition of active microorganisms driving atmospheric methane oxidation and expression patterns of functional genes related to atmospheric methane oxidation. These investigations will elucidate the microbial mechanisms of atmospheric methane oxidation in forest soils and paddy soils and the similarities and differences between them. This study will throw a light for mechanisms under metabolism diversity of atmospheric methane oxidizing bacteria, and be helpful for understanding ecological role of soil microorganisms as a significant sink of atmospheric methane.

土壤微生物是大气甲烷唯一的生物汇，对大气甲烷的吸收占大气甲烷总沉降的5-15%，对稳定大气甲烷浓度具有重要作用。土壤中氧化大气甲烷的微生物是一类对低浓度甲烷亲和力极高的特殊甲烷氧化菌。然而目前对其氧化大气甲烷的驱动机制仍不清楚。本项目以典型的森林和稻田土壤为实验对象，通过室内微宇宙培养实验，比较分析两类土壤氧化大气甲烷的动力学过程及氧化活性的变化规律。以16S rRNA基因和甲烷氧化的关键功能基因（pmoA）为靶标，采用实时荧光定量PCR和高通量测序技术分析大气甲烷氧化菌数量及种群组成在大气甲烷氧化过程中的变化规律。并采用转录组学技术分析两类土壤中与大气甲烷氧化相关的功能基因的表达模式及其来源微生物，从而阐明森林和稻田土壤大气甲烷氧化微生物及其驱动机制的异同。本项目的开展将为研究甲烷氧化菌的代谢多样性的形成机制提供新的参考，并有助于深入认识土壤微生物在大气甲烷沉降中的作用。

甲烷是一种重要的痕量温室气体（1.84 ppmv），而土壤是大气甲烷唯一的生物汇，氧化大气甲烷的过程称为高亲和力甲烷氧化（“high-affinity” methane oxidation, HAMO）。本研究利用水稻土及森林土两类土壤类型，研究了其氧化大气甲烷的过程和功能微生物组成，同时以水稻土为对象深入揭示了其微生物调控机制。研究表明经过高浓度甲烷的刺激，水稻土可以获得HAMO能力并直接氧化大气甲烷，不过这种能力的维持通常不超过2个月，需要高浓度甲烷的再次刺激才能再次出现，其活性水平和原位条件下旱地土壤吸收大气甲烷的活性相当。借助宏转录组关联分析重构了水稻土氧化大气甲烷的代谢网络，揭示了参与大气甲烷氧化的主要类群，发现了胞内能量储备物资PHB（poly-β-hydroxybutyrate）的代谢过程，高通量测序和稳定同位素示踪核酸技术阐明了甲烷氧化菌主要类群（类型I和类型II）在大气甲烷氧化能力的激发、消退及再激发过程中的生长响应。阐明了水稻土氧化大气甲烷的微生物调控机制，即水稻土中的甲烷氧化菌利用淹水期间土壤深处厌氧区产生的高浓度甲烷合成能量储存物质，在土壤落干期底物匮乏时分解利用这些能量储存物质支撑其氧化大气甲烷，这些结果为开展野外观测实验，估算湿地土壤甲烷源和汇的强度提供了新的理论依据。对森林土大气甲烷氧化能力的监测及甲烷氧化菌类群的分析，能够为我国森林土壤氧化吸收大气甲烷的速率估计提供参考，为研究大气甲烷氧化微生物的分布规律、组成特点以及后续的分离培养提供了基础数据。通过传统显微计数、单细胞分选和现代分子方法（包括实时荧光定量PCR和MiSeq高通量测序）研究典型水稻土微生物组的细胞数量、物种组成及好氧甲烷氧化菌生理生态过程的技术特点，结果表明方法本身的分辨率并不会明显影响对微生物功能过程趋势的判断，未来土壤微生物学研究应以科学问题本身为出发点，发挥多种微生物技术的优势。