氮素施肥下盐碱稻田水稻根系 Ⅰ 型甲烷氧化菌固氮与甲烷氧化活性的变化：新发现与意义

为探究氮素输入对盐碱稻田甲烷氧化菌固氮（N2? fixation）和甲烷氧化（CH4? oxidation）的影响，研究发现施肥影响显著，且 J3 水稻表现更优。

　　在亚洲，水稻是养活超半数世界人口的重要主食，然而稻田也是强效温室气体甲烷（CH4?）的主要排放源之一。在稻田中，厌氧产甲烷菌产生的CH4?约有 30 - 80% 会被根系相关的好氧甲烷氧化菌氧化。这些甲烷氧化菌大多拥有固氮基因，能将氮气（N2?）转化为铵，为水稻生长提供氮素，同时减少CH4?排放。但目前，氮肥对甲烷氧化菌固氮和甲烷氧化活动的影响还不明确，尤其是在需要大量施用氮肥的盐碱稻田中。为了解决这一问题，内蒙古大学的研究人员开展了相关研究，研究成果发表在《Rice》上。

研究人员采用了15N?N2?和13C?CH4?同位素示踪技术，结合基于 RNA 的扩增子测序方法。他们选取了两种水稻品种，分别是常见的粳稻品种空育 131（Kongyu131）和耐盐碱粳稻品种 J3，在内蒙古呼和浩特的试验站设置了无氮施肥（LN）和标准氮施肥（SN）两种处理的稻田进行研究。

研究结果表明：

1. 水稻农艺性状差异：在水稻生长阶段，除分蘖期外，J3 水稻在标准氮施肥处理下的分蘖数和株高显著高于空育 131 水稻；而在无氮施肥处理下，两个品种间无显著差异。
2. 固氮和甲烷氧化活性：通过15N和13C同位素示踪实验发现，在盐碱环境且施氮条件下，两种水稻根系中甲烷氧化菌依赖CH4?氧化的固氮速率显著高于异养固氮菌不依赖CH4?氧化的固氮速率。例如，空育 131 水稻的这两个速率分别为 1.17 - 4.15 μmol/h/g 和 1.10 - 3.17 μmol/h/g；J3 水稻则为 7.30 - 9.22 μmol/h/g 和 5.76 - 4.85 μmol/h/g 。同时，标准氮施肥显著提高了 J3 水稻根系甲烷氧化菌的固氮和甲烷氧化速率，但降低了空育 131 水稻根系甲烷氧化菌的甲烷氧化速率。而且，J3 水稻根系甲烷氧化菌的固氮和甲烷氧化速率均显著高于空育 131 水稻。
3. 微生物群落结构：基于 RNA 的扩增子测序分析显示，施肥对根际固氮和甲烷氧化微生物群落结构的影响比水稻品种间的差异更大 。在所有根样本中，活跃的固氮和甲烷氧化微生物群落主要由甲基单胞菌属（Methylomonas，Ⅰ 型甲烷氧化菌）主导 。在施氮条件下，Methylomonas methanica 和 Methylomonas paludis 在固氮和甲烷氧化群落中的比例发生了显著变化。此外，在空育 131 水稻根系中，低氮条件下 Methylocystis 的相对丰度较高，而在标准氮施肥条件下急剧下降。

综合研究结论和讨论部分，该研究发现氮肥显著影响了盐碱稻田中根系相关甲烷氧化菌的CH4?氧化依赖的N2?固定和CH4?氧化活动。J3 水稻品种在根际甲烷氧化菌固氮和甲烷氧化方面表现出比空育 131 品种更高的潜力，尤其是在施氮条件下。Methylomonas 是根系固氮和甲烷氧化群落中的优势属，表明根际 Ⅰ 型甲烷氧化菌对CH4?氧化和N2?固定均有重要贡献 。这一研究不仅证实了好氧甲烷氧化菌依赖CH4?氧化的N2?固定在氮充足的盐碱环境中也能发生，还突出了好氧固氮甲烷氧化菌的共生多样性和环境适应性，为盐碱稻田减少CH4?排放、增加生物有效氮积累提供了理论依据，对盐碱地水稻种植和生态环境改善具有重要意义。