東北地理所在東北黑土帶稻田土壤微生物碳代謝特征地理分布格局與適應策略研究中取得重要進展
稻田作為一種最廣泛的人工濕地，是地球上最重要的農業生態系統之一。土壤有機碳（SOC）是反映土壤肥力特性的綜合指標，是全球土壤微生物生物地理格局的通用預測因子。水稻土作為重要的碳匯，其土壤有機碳（SOC）固存效率比旱地土壤高39%-127%。SOC儲量反映了微生物對有機質的同化與分解之間的微妙平衡，多重微生物過程的復雜互作驅動土壤碳循環的代謝網絡。然而，空間尺度上水稻土中微生物對土壤碳異質性的適應性進化和調控策略仍屬未知。
東北地理所農田分子生態學科組研究人員針對東北典型黑土帶120個水稻土樣品，利用宏基因組測序技術，探究碳代謝微生物地理分布格局及其功能調控特征。研究表明，微生物碳功能與基因組分類水平均呈現顯著的距離衰減關系（DDRs）。微生物碳代謝特征可聚類為兩組：HCS代表高緯度地區總碳（TC）含量較高的土壤，而LCS為低緯度地區碳含量較低的土壤。與HCS相比，LCS中涉及有氧呼吸、碳固定和甲烷生成的碳循環途徑豐度更高，且碳水化合物酯酶（CE）和糖基轉移酶（GT）類活性更強，說明含碳量較低的黑土中微生物碳代謝能力更強（圖1）。
利用基因組組裝技術構建了211個具有多樣碳代謝功能基因組（MAGs），其中高質量MAG292豐度（歸屬于Nanopelagicales目）與TC呈顯著正相關；而MAG153（歸屬于Chitinophagales目）則呈現相反趨勢。進一步構建了133個新型病毒基因組（vMAGs），其中phage11、phage16、phage26和phage120在LCS中豐度較高，這些病毒攜帶參與幾丁質降解的chiA和GH19基因；而phage89在HCS中豐度較高，其攜帶調控肽聚糖裂解的slt和GH23基因。綜合以上結果，在東北黑土帶的高緯度地區，土壤病毒可能通過編碼肽聚糖裂解酶裂解細菌，釋放養分并增加死亡微生物殘體，從而促進土壤碳積累；而在低緯度地區，病毒與微生物可能通過表達參與幾丁質降解的輔助代謝基因（AMGs）間接降低了土壤總碳含量（圖2）。本研究揭示了中國黑土區水稻土微生物對土壤碳異質性的差異化適應進化與碳調控策略。
研究成果發表在國際期刊《Geoderma》（IF: 5.6）上，東北地理所農田分子生態學科組胡曉婧副研究員為第一作者，王光華研究員為通訊作者。研究得到國家重點研發計劃（2022YFD1500201）和中國科學院青年創新促進會（2023237）共同資助。
Hu X.,Gu H.,Semenov M.,Wang Y.,Zhang J.,Yu Z.,Li Y.,Liu J.,Jin J.,Liu X.,Wang G. Biogeographic patterns and adaptive strategies of microbial carbon metabolic profiles in paddy soils in the Chinese Mollisol region. Geoderma. 2025,117265
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117265
圖1 區域尺度下黑土微生物的碳代謝分異特征
圖2 病毒-宿主協同適應與調控黑土碳代謝
附件下載：
吉公網安備22017302000214號
