湿地芦苇根圈固氮甲烷氧化菌的分布特征及其功能耦合机制研究

Wetland is an important source of CH4 emission and rhizosphere methanotrophs are predominately responsible for CH4 oxidation of there. Over 80％ of all land plants can establish root symbioses with microbes. Recently，the finding of plant symbioses mechanism were reported. The OsCCaMK, rice plants gene can control CH4 oxidation and N2 fixation and this process were predominately contributed by diazotrophic Type II methanotrophs of rice root in paddy filed. However, it is largely unknown diazotrophic methanotrophs in root of Phragmites australisas predominant species in natural wetland. We wanted to address distribution, active and mechanism of diazotrophic methanotrophs in root of Phragmites australisinin natural wetland in Inner Mongolia. The present study examine (i) metaproteomics analysis to analyzethe protein diversity inplant roots and(ii) catalyzed reporter deposition fluorescence in situ hybridization (CARD-FISH) to localize methanotrophs in the root tissues ofplants grown in a natural wetland, (iii) cultivation with 15N-N2 and functional gene to analyses mechanism of CH4 oxidation and N2 fixation for mehtanotrophic isolates. Moreover, the research will provide theoretical basis for apply plant-microbes symbioses to resolve the problems of CH4 emission and wetlands deterioration.

根际甲烷氧化菌对湿地生态系统的碳循环过程有着十分重要的影响，80％以上的陆地植物都能与微生物建立共生关系。有研究显示甲烷氧化菌对水稻根甲烷氧化和固氮起主导作用。本研究以蒙古高原干旱区典型沼泽化湿地优势植物芦苇根系为主要研究对象，采用蛋白质组等现代分子生态学方法，结合稳定同位素和纯培养技术，研究固氮甲烷氧化功能菌群在湿地芦苇根系中的存在及分布特征，开展根圈甲烷氧化菌进行分离，纯化及甲烷氧化及固氮特性分析，检测甲烷氧化与固氮功能基因的表达特性，研究植物根圈甲烷氧化菌株的甲烷氧化及固氮作用机制，探索甲烷氧化菌介导的甲烷氧化与固氮作用及其沼泽化湖泊湿地根系微生物碳/氮功能群的耦合机理，旨在为控制沼泽化湿地温室气体释放和根际生物固氮的应用生物技术提供科学依据，对揭示湿地植物内生菌共生机制有十分重要的理论意义和应用前景。

根际甲烷氧化菌对湿地生态系统的碳循环过程有着十分重要的影响，80％以上的陆地植物都能与微生物建立共生关系。有研究显示甲烷氧化菌对水稻根甲烷氧化和固氮起主导作用。但是，自然湿地挺水植物芦苇根圈甲烷氧化菌介导的碳/氮耦合机制尚不清楚。本研究以蒙古高原干旱区自然湿地优势植物芦苇根系为主要研究对象，采集芦苇固氮活性较高的7月样，利用宏转录组、宏基因组和扩增子测序技术研究了芦苇根圈甲烷氧化和固氮作用机制。结果显示，在DNA水平上的根系16S rRNA基因扩增子和根系细菌细胞宏基因组分析中Methylosinus和Methylomonas的物种丰度总和为0.2-3%，但是在根系微生物宏转录组中达到13%，成为根系中表达量最高的物种，而且以上两个物种在固氮基因（nifHKD）表达量中占80%，属优势固氮菌群。表明芦苇在转录水平上对甲烷氧化菌有选择性，而且根系甲烷氧化菌可能是固氮作用主要贡献者；有意思的是转录水平上也检测到了产甲烷古菌的功能基因mcrA；酶联荧光原位杂交技术（CARD-FISH）的结果表明，type I和type II甲烷氧化菌在芦苇根系中心柱周围栖息；通过传统分离技术从芦苇根系成功分离出两株甲烷氧化菌Methylosinus sp. PRM1和Methylocystis sp. PRM2的纯菌株。菌株PRM1的全群基因测序结果表明，该菌株具有完整的固氮基因簇、甲烷氧化相关基因簇、type IV分泌系统、鞭毛、趋化性相关基因等植物共生所需的功能原件，而且能在无氮培养基中以甲烷为碳源生长。甲烷氧化菌可能通过鞭毛运动及分泌系统作用进入到宿主组织内部完成甲烷氧化和固氮作用。上述工作外，我们还进行了水稻根系甲烷氧化和固氮相关研究，结果表明，甲烷可能通过甲烷氧化菌促进水稻固氮活性，而且甲烷氧化菌分离菌株能在好氧条件下具有较好固氮作用。本研究结果为稻田甲烷减排及氮肥减量化以及控制沼泽化湿地温室气体释放和根际生物固氮的应用生物技术提供科学依据，对揭示湿地植物内生菌共生机制有十分重要的理论意义和应用前景。