近日，趙方杰教授團隊與華東師范大學張思宇研究員團隊在《The ISME Journal》發表了“Soil redox status governs within-field spatial variations of microbial arsenic methylation and rice straighthead disease”文章，發現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”）是一種與土壤相關的生理病害，該病害在我國長江中下游稻區時有發生，尤其在旱改水和水旱輪作稻田特別容易發生。受病害影響的水稻穎殼扭曲或炸裂，結實率和產量大幅度下降。趙方杰教授團隊前期研究證明二甲基砷（DMA）的過量積累是誘發水稻“直穗病”的主要原因。田間調查發現，田塊尺度上水稻“直穗病”往往呈現明顯的空間變異，但其原因不清。
團隊在江蘇省泗陽縣和山東省郯城縣開展田間試驗，選擇多年發病的稻田，在水稻不同生育期進行網格式布點采樣，測定土壤氧化還原電位（Eh）、微生物群落特征和砷轉化相關功能基因，分析土壤孔隙水中砷形態及其它理化性質，在水稻成熟期統計直穗病的發病程度并分析水稻穎殼中砷的形態。結果顯示，兩塊稻田水稻“直穗病”發病率呈現明顯的空間變異，并且與穎殼DMA含量的空間變異趨勢高度吻合，穎殼DMA含量與結實率存在極顯著負相關。水稻孕穗期至抽穗期土壤Eh呈現出明顯的空間變異，發病區域土壤Eh顯著低于未發病區域，土壤Eh的空間變異是田塊地勢不平整導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、擴增子高通量測序、宏基因組和宏轉錄組技術，進一步分析導致土壤中DMA呈現空間變異的關鍵微生物類群、砷甲基轉移酶功能基因（arsM）的豐度、表達活性及其宿主的多樣性。發現arsM豐度呈現隨土壤Eh降低而升高的空間分布規律，說明隨著土壤Eh降低，攜帶arsM基因的微生物豐度增加。擴增子高通量測序結果顯示多個擴增子序列變體（ASV）豐度與土壤孔隙水DMA含量呈顯著正相關，主要屬于Chloroflexi、Bacillota、Acidobacteriota、Actinobacteriota和Myxococcota。通過宏基因組和宏轉錄組分析確定了5129 個arsM基因序列，其中71%為轉錄序列。arsM基因廣泛分布于厭氧細菌中，并且部分微生物體攜帶的arsM基因在土壤Eh較低區域轉錄水平更高，具有arsM轉錄活性的宿主主要分布于18個不同的細菌門，這些微生物可能是導致水稻土中DMA積累差異的關鍵微生物類群，也是造成水稻“直穗病”空間變異的主要驅動者。
為了進一步驗證田塊空間變異的結果，本研究設置了田塊人為坡度試驗。結果顯示，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”發病率升高。該結果進一步證明土壤Eh是影響水稻“直穗病”的關鍵環境因素。
本研究結果揭示了影響稻田土壤微生物砷甲基化的關鍵環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。南京農業大學資環學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基金重點項目資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae057
日期：2024-05-08
水稻“直穗病”（又稱“旱青立病”或“炸殼”）是一種與土壤相關的生理病害，該病害在我國長江中下游稻區時有發生，尤其在旱改水和水旱輪作稻田特別容易發生。受病害影響的水稻穎殼扭曲或炸裂，結實率和產量大幅度下降。趙方杰教授團隊前期研究證明二甲基砷（DMA）的過量積累是誘發水稻“直穗病”的主要原因。田間調查發現，田塊尺度上水稻“直穗病”往往呈現明顯的空間變異，但其原因不清。
團隊在江蘇省泗陽縣和山東省郯城縣開展田間試驗，選擇多年發病的稻田，在水稻不同生育期進行網格式布點采樣，測定土壤氧化還原電位（Eh）、微生物群落特征和砷轉化相關功能基因，分析土壤孔隙水中砷形態及其它理化性質，在水稻成熟期統計直穗病的發病程度并分析水稻穎殼中砷的形態。結果顯示，兩塊稻田水稻“直穗病”發病率呈現明顯的空間變異，并且與穎殼DMA含量的空間變異趨勢高度吻合，穎殼DMA含量與結實率存在極顯著負相關。水稻孕穗期至抽穗期土壤Eh呈現出明顯的空間變異，發病區域土壤Eh顯著低于未發病區域，土壤Eh的空間變異是田塊地勢不平整導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、擴增子高通量測序、宏基因組和宏轉錄組技術，進一步分析導致土壤中DMA呈現空間變異的關鍵微生物類群、砷甲基轉移酶功能基因（arsM）的豐度、表達活性及其宿主的多樣性。發現arsM豐度呈現隨土壤Eh降低而升高的空間分布規律，說明隨著土壤Eh降低，攜帶arsM基因的微生物豐度增加。擴增子高通量測序結果顯示多個擴增子序列變體（ASV）豐度與土壤孔隙水DMA含量呈顯著正相關，主要屬于Chloroflexi、Bacillota、Acidobacteriota、Actinobacteriota和Myxococcota。通過宏基因組和宏轉錄組分析確定了5129 個arsM基因序列，其中71%為轉錄序列。arsM基因廣泛分布于厭氧細菌中，并且部分微生物體攜帶的arsM基因在土壤Eh較低區域轉錄水平更高，具有arsM轉錄活性的宿主主要分布于18個不同的細菌門，這些微生物可能是導致水稻土中DMA積累差異的關鍵微生物類群，也是造成水稻“直穗病”空間變異的主要驅動者。
為了進一步驗證田塊空間變異的結果，本研究設置了田塊人為坡度試驗。結果顯示，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”發病率升高。該結果進一步證明土壤Eh是影響水稻“直穗病”的關鍵環境因素。
本研究結果揭示了影響稻田土壤微生物砷甲基化的關鍵環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。南京農業大學資環學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基金重點項目資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae057
日期：2024-05-08
