近日，趙方杰教授團(tuán)隊與華東師范大學(xué)張思宇研究員團(tuán)隊在《The ISME Journal》發(fā)表了“Soil redox status governs within-field spatial variations of microbial arsenic methylation and rice straighthead disease”文章，發(fā)現(xiàn)田塊尺度土壤氧化還原電位（Eh）的變異通過影響土壤微生物砷甲基化造成水稻“直穗病”的空間變異。

 

　　水稻“直穗病”（又稱“旱青立病”或“炸殼”）是一種與土壤相關(guān)的生理病害，該病害在我國長江中下游稻區(qū)時有發(fā)生，尤其在旱改水和水旱輪作稻田特別容易發(fā)生。受病害影響的水稻穎殼扭曲或炸裂，結(jié)實率和產(chǎn)量大幅度下降。趙方杰教授團(tuán)隊前期研究證明二甲基砷（DMA）的過量積累是誘發(fā)水稻“直穗病”的主要原因。田間調(diào)查發(fā)現(xiàn)，田塊尺度上水稻“直穗病”往往呈現(xiàn)明顯的空間變異，但其原因不清。

 

　　團(tuán)隊在江蘇省泗陽縣和山東省郯城縣開展田間試驗，選擇多年發(fā)病的稻田，在水稻不同生育期進(jìn)行網(wǎng)格式布點采樣，測定土壤氧化還原電位（Eh）、微生物群落特征和砷轉(zhuǎn)化相關(guān)功能基因，分析土壤孔隙水中砷形態(tài)及其它理化性質(zhì)，在水稻成熟期統(tǒng)計直穗病的發(fā)病程度并分析水稻穎殼中砷的形態(tài)。結(jié)果顯示，兩塊稻田水稻“直穗病”發(fā)病率呈現(xiàn)明顯的空間變異，并且與穎殼DMA含量的空間變異趨勢高度吻合，穎殼DMA含量與結(jié)實率存在極顯著負(fù)相關(guān)。水稻孕穗期至抽穗期土壤Eh呈現(xiàn)出明顯的空間變異，發(fā)病區(qū)域土壤Eh顯著低于未發(fā)病區(qū)域，土壤Eh的空間變異是田塊地勢不平整導(dǎo)致淹水程度不同所致。伴隨土壤Eh的變異，土壤孔隙水中DMA含量也呈現(xiàn)明顯的空間變異，并與水稻穎殼DMA含量的變異趨勢一致。采用熒光定量PCR、擴(kuò)增子高通量測序、宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，進(jìn)一步分析導(dǎo)致土壤中DMA呈現(xiàn)空間變異的關(guān)鍵微生物類群、砷甲基轉(zhuǎn)移酶功能基因（arsM）的豐度、表達(dá)活性及其宿主的多樣性。發(fā)現(xiàn)arsM豐度呈現(xiàn)隨土壤Eh降低而升高的空間分布規(guī)律，說明隨著土壤Eh降低，攜帶arsM基因的微生物豐度增加。擴(kuò)增子高通量測序結(jié)果顯示多個擴(kuò)增子序列變體（ASV）豐度與土壤孔隙水DMA含量呈顯著正相關(guān)，主要屬于Chloroflexi、Bacillota、Acidobacteriota、Actinobacteriota和Myxococcota。通過宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組分析確定了5129 個arsM基因序列，其中71%為轉(zhuǎn)錄序列。arsM基因廣泛分布于厭氧細(xì)菌中，并且部分微生物體攜帶的arsM基因在土壤Eh較低區(qū)域轉(zhuǎn)錄水平更高，具有arsM轉(zhuǎn)錄活性的宿主主要分布于18個不同的細(xì)菌門，這些微生物可能是導(dǎo)致水稻土中DMA積累差異的關(guān)鍵微生物類群，也是造成水稻“直穗病”空間變異的主要驅(qū)動者。

 

　　為了進(jìn)一步驗證田塊空間變異的結(jié)果，本研究設(shè)置了田塊人為坡度試驗。結(jié)果顯示，隨著坡度降低，土壤Eh降低，土壤孔隙水DMA含量增加，水稻穎殼DMA含量增加，水稻“直穗病”發(fā)病率升高。該結(jié)果進(jìn)一步證明土壤Eh是影響水稻“直穗病”的關(guān)鍵環(huán)境因素。

 

　　本研究結(jié)果揭示了影響稻田土壤微生物砷甲基化的關(guān)鍵環(huán)境因子和功能微生物類群，明確了造成水稻“直穗病”空間變異的原因，提出了通過控制稻田土壤氧化還原電位防控水稻“直穗病”的措施。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院鐘山青年研究員高阿祥與陳川副教授為該文章共同第一作者，趙方杰教授與華東師范大學(xué)張思宇研究員為論文共同通訊作者。本研究得到國家自然科學(xué)基金重點項目資助。

 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae057