第八届青年地学论坛

稻田土壤微生物介导的砷甲基化过程是引发水稻直穗病的关键，然而砷甲基化过程受多种因素影响，添加有机物料可提高砷甲基化基因的丰度，促进砷甲基化过程。稻田土壤有机碳分子组成的复杂性影响着微生物的多样性，调节砷的微生物转化。目前有机碳分子的特征与稻田土壤中由厌氧微生物介导的砷甲基化的关联机制仍不清楚。作者通过室内土壤培养实验，模拟稻田施肥情况，分析土壤溶液中砷形态差异、土壤中砷甲基化微生物（arsM）、硫酸盐还原菌（dsrA）的基因丰度，利用傅里叶变换离子回旋共振质谱法（FT-ICR MS）来描述有机碳分子的特征，最后借助高通量测序等分子生物学手段明确砷甲基化相关微生物丰度与群落特征，尝试揭示稻田土壤有机碳分子特征通过分异砷甲基化相关微生物丰度与群落进而介导砷甲基化效率变化的可能机制，主要获得如下结果：（1）通过模拟稻田施肥进行为期21天的土壤培养实验，结果显示，与对照组相比，经猪粪或秸秆处理的稻田土壤的砷甲基化效率提高了57.4%-260.1%，砷甲基化（arsM）和硫酸盐还原（dsrA）基因的丰度均增加，arsM和dsrA基因丰度与高O/C（≥0.4）的CHON分子为正相关，其中O/C为0.5-0.8的CHON分子与arsM和dsrA基因丰度显著正相关（P < 0.01），而不是与总细菌（16S rRNA）丰度有显著相关性；（2）提取土壤溶液进行相对封闭的厌氧培养，培养5天后的溶液中与培养初始相比，微生物消耗的高O/C（≥0.4）的分子占CHON分子总量的55.8%～89.0% ，培养期间增加的甲基态砷含量分别与微生物消耗的总CHON分子、高O/C（≥0.4）的CHON分子以及O/C=0.5-0.8的CHON分子均为极显著正相关关系，相关系数排序为：O/C=0.5-0.8的CHON > 高O/C（≥0.4）的CHON > 总CHON分子，同时微生物消耗的低O/C（<0.4）的CHON分子与甲基砷增加量为负相关关系；（3）对土壤样本进行arsM基因的高通量测序，筛选出携带arsM基因的关键微生物能够明显促进砷甲基化进程（P < 0.05），这些关键砷甲基化微生物与高O/C（≥ 0.4）的CHON分子存在特异性耦联，特别是O/C为0.5-0.8的CHON分子，我们观察到有科水平下的Acidithiobacillaceae、Halorubraceae和Hyphomicrobiaceae和属水平下的Minicystis、Rhodomicrobium、Acidithiobacillus、Ornithinimicrobium、Mycolicibacterium和Halorubrum与O/C在0.5-0.8范围内的CHON分子有显著的正相关关系（P < 0.05）。上述结果在一定程度上完善了分子碳源特异性调节微生物砷甲基化过程的规律和相关机制，有助于预测稻田土壤中直穗病的风险，对于通过合理施肥来调控稻田直穗病发生亦具有重要科学价值。
 

水稻、砷、甲基化、微生物