亞熱帶生態所發現水稻根際酶活性時空動態穩定機制

2021-01-09 中國科學院

　　由中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員吳金水領銜的農業生態過程方向研究團隊近日於水稻根際酶活時空動態穩定機制及其對溫度和水稻生長的響應研究取得新進展。

　　根際是土壤微生物活動最為重要的「熱區」，是土壤-微生物-植物根系之間互相作用關係最為密集的區域。儘管根際的生物化學過程非常活躍，但持續高效的物質與能量交換通常維持著相對穩定的平衡狀態，從而使根際環境的物理化學生物特性，如土壤酶活性，在高度動態中仍可能保持一定的空間穩定性。根際沉積作用通過調控底物的可利用性，影響著有機質礦化相關酶的溫度敏感性，對全球變化背景下根際酶活性的動態穩定有重要意義。然而迄今為止，根際酶活空間分布對溫度變化的響應仍不清楚，根際效應對酶活性溫度敏感性的影響尚未見報導。

　　基於此，該團隊採用土壤原位酶譜技術（soil zymography），研究了不同溫度下（18°C、25°C）幾丁質酶和磷酸酶活性和空間分布模式隨水稻生長時間（14d、30d）的變化。結果表明，土壤剖面的整體酶活隨溫度的升高而升高，隨水稻生長時間的延長而降低；但酶活熱區面積和空間分布模式均與溫度無關，當水稻生長時間從14d增加到30d時，幾丁質酶活性熱區面積從2-2.5%減少到0.3-0.5%，而磷酸酶活性熱區面積從2%增加到6-7%，兩種酶的空間分布模式均從隨機分布過渡為沿根分布；該研究首次探討了水稻根際酶活的橫向擴散範圍，並指出土壤酶活性在水稻根系的徑向擴散不受溫度影響且在水稻生長過程中保持相對穩定；通過比較根際土和非根際土酶活溫度敏感性（Q10）的差異，研究發現水稻根表的酶活溫度敏感性隨與根中心徑向距離的增大而減小（Q10~1.3-1.4），而非根際土（距離根中心＞1.5 mm）的酶活性幾乎不受溫度影響（Q10~1）。該研究表明，全球變暖對水稻土根際元素周轉的促進效應遠大於非根際，因此在後續研究中應對根際過程予以特別關注。

　　該研究近期以Stability and dynamics of enzyme activity patterns in the rice rhizosphere: Effects ofplant growth and temperature 為題發表在《土壤生物學與生物化學》（Soil Biology and Biochemistry）上。該研究得到了國家自然科學基金委、英國皇家學會牛頓高級學者基金和中科院亞熱帶生態所青年創新團隊等項目的資助。

　　論文連結 

 

圖：水稻根際幾丁質酶與磷酸酶的活性和空間分布及其對溫度與水稻生長的響應

相關焦點

  • 亞熱帶生態所揭示磷元素計量學對缺磷水稻土氮循環基因的調控機理
    由中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員吳金水領銜的農業生態過程方向研究團隊近日在磷元素計量學對缺磷水稻土氮循環基因的調控機理研究中取得新進展。　　營養元素計量比（C:N:P）對生物代謝活動的正常進行和生態系統功能的維持有重要意義。
  • 亞熱帶生態所在稻田土壤生物固碳機制研究中獲系列進展
    ，聚焦於典型稻田生態系統的生物固碳過程與機制，從水稻光合碳的輸入、轉化（圖2）及其土壤微生物固碳功能及其生物學機制（圖3）兩方面開展工作，取得了一系列重要進展。結果表明，在水稻拔節灌漿期內，通過水稻的根際沉積作用，有4-6%的光合碳進入土壤有機碳庫，這部分新碳對土壤可溶性有機碳的貢獻為2-4%，對土壤微生物生物量碳的貢獻為9-18%。
  • 水稻光合碳輸入及其穩定機制對水分管理和施氮的響應研究獲進展
    由中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員吳金水領銜的農業生態過程方向研究團隊近日在水稻光合碳輸入及其穩定機制對水分管理和施氮的響應方面取得了新進展。　　光合碳是「大氣-植物-土壤」系統碳循環的重要組成部分，也是土壤有機碳的重要來源，光合碳通過根系周轉與根系分泌物等進入土壤碳庫，對維持稻田土壤的碳匯功能起到了十分重要的作用。
  • 水稻根際和非根際土微生物碳源利用效率對施肥的響應研究獲進展
    陸地生態系統中，微生物在調控碳循環過程中扮演著兩種截然不同的角色：1）通過分解代謝作用使有機物礦化向大氣釋放CO2；2）將非穩態的有機碳通過微生物「碳泵」的形式不斷形成穩定態有機碳庫。微生物這種分解代謝與合成代謝的相對過程強弱可以通過碳源利用效率（CUE）反映，其決定了土壤中碳周轉的去向。
  • 水稻土碳氮循環關鍵酶動力學特徵及其溫度敏感性對外源碳添加的...
    在全球變暖大背景下，亞熱帶地區氣候變化相比於其他地區更為明顯。亞熱帶地區是水稻主產區之一，高強度的人為耕作幹擾使水稻土物理化學生物特性與旱地土存在顯著差異。已有研究表明水稻土是全球重要的碳匯，但升溫造成溫室氣體（如CO2和CH4）排放增加，產生進一步的溫室效應，這種正反饋作用不容忽視。
  • 亞熱帶生態所發現土壤微界面有機質層增厚證據
    科學家通過生物標誌物和同位素追蹤技術，發現微生物能產生多種且穩定的有機質，這突出了微生物過程在土壤有機質穩定性中的作用。但研究發現土壤物理化學組分和環境在有機質保存過程中起決定性作用，尤其是長期穩定；通過氯仿燻蒸處理後微生物群落和活性有差異的土壤，其最終礦化速率和空白相同，Kemmitt et al.（2008）提出「控制閥理論」（regulatory theory），支持有機質的物理化學控制穩定機制。上述爭論的焦點是生物和非生物控制因素控制有機質的生物利用性問題。為調和爭論，J. Lehmann and M.
  • 亞熱帶生態所發現土壤微界面有機質層增厚證據
    長期以來，有機質在土壤和沉積物中長期保護機制被廣泛研究。但由於土壤的複雜性，科學家主要基於傳統的組分提取方法進行土壤有機質研究，並提出不同的有機質保護機制。在這些穩定性機制中，有機質的物理化學機制和生物保存機制間存在爭議。科學家通過生物標誌物和同位素追蹤技術，發現微生物能產生多種且穩定的有機質，這突出了微生物過程在土壤有機質穩定性中的作用。
  • 亞熱帶生態所在水稻土有機碳礦化的關鍵限速因子及其機制研究中獲...
    水稻土乾濕交替的特殊水分管理方式，導致水稻土物理、化學和生物條件與旱地土壤和溼地土壤迥異。然而，水稻土的有機碳礦化過程以及其中關鍵作用因子是否會因水分管理引起的氧氣條件變化而改變，目前仍無定論。　　因此，中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員吳金水團隊通過對水稻土進行氯仿燻蒸和不燻蒸處理，形成土壤微生物生物量差異；設置了乾濕交替（0-30天不淹水，氧氣充足；31-78天淹水，氧氣受限）、持續淹水（氧氣受限）和厭氧淹水（氮氣排空空氣，無氧氣）三種水分條件，進行78天的培養實驗。
  • 瀋陽生態所揭示植物修復多環芳烴-重金屬複合汙染土壤的根際作用機制
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】多環芳烴（PAHs）汙染土壤是一個普遍存在的環境問題，對人類生命和生態系統構成了嚴重威脅。通常，多環芳烴與重金屬可通過汙水灌溉、固體廢物處理、交通運輸以及工業活動等途徑進入到土壤中，通過積累而形成複合汙染。
  • 淺談:水稻對土壤性質及生物的影響
    WANG等[58]通過3年的田間和水培試驗,利用酶聯免疫反應的方法,研究了兩個轉Bt水稻「明恢63」和「汕優63」中釋放的Cry1Ab/1Ac蛋白在土壤中的積累和轉移變化。研究發現在水稻生長期,種植轉Bt基因水稻的稻田水中能檢測到Cry1Ab/1Ac蛋白,而種植非Bt水稻稻田水中未檢測到該蛋白,並且在轉Bt水稻根際土壤中該蛋白的含量達到149ng/g,明顯高於非Bt水稻根際土壤中基本水平。
  • 植物所在亞熱帶森林群落生物多樣性維持機制研究中取得進展
    亞熱帶常綠闊葉林是我國獨特的森林植被類型，在我國的分布範圍最廣、面積最大、生物多樣性最高，約佔我國國土面積的1/4，對我國生態文明建設和生態安全極其重要。歷史上，中國亞熱帶常綠闊葉林經歷過頻繁、大規模的人為幹擾，絕大部分原生性植被，特別是低海拔地區的原生地帶性植被多已消失殆盡，少量保存的原始林也大多破碎化嚴重，亟需開展保護和修復。然而，由於對亞熱帶森林群落多樣性維持機制缺乏足夠的認識，如何保育和修復我國各類退化亞熱帶森林生態系統面臨著核心理論「瓶頸」。
  • 亞高山森林恢復土壤微生物及酶活性研究獲進展
    因此，探究在不同空間（細根根際、粗根根際、土壤及團聚體組分中）和時間（20年，30年，40年和70年）的尺度上，人工林與自然恢復次生林如何影響土壤微生物群落和功能，有助於深入理解亞高山森林生態系統生態功能提升的機制。
  • 水稻SST的變化改變根際菌群,通過調節土壤代謝物增加它的對鹽脅迫的耐受性
    水稻SST的變化改變根系周圍菌群，通過調節土壤代謝物增加它的對鹽脅迫的耐受性Rice SST Variation Shapes the Rhizosphere BacterialCommunity, Conferring Tolerance to Salt Stress throughRegulating Soil Metabolites摘要一些植物特異性抗性基因通過調節根系分泌物的釋放來影響根際微生物
  • 論文｜土壤酶及其生態指示作用研究進展
    筆者對土壤酶的來源、在土壤中的存在狀態及功能、土壤酶活性的分布特徵及時空動態變化、土壤酶的生態指示作用等方面進行論述，旨在為更好地利用土壤酶來認識土壤生態系統變化從而及時採取適當的管理措施提供理論支持。
  • 華南植物園老齡林固碳時空變異驅動機制研究獲進展
    目前已有的研究證實了我國熱帶與亞熱帶老齡林能夠固碳，但固碳能力強弱、季節動態、年際變異及其這些時空格局的驅動機制有待深入研究。中科院華南植物園生態與環境中心閆俊華研究員等利用西雙版納（熱帶）和鼎湖山（亞熱帶）森林生態系統通量觀測數據，分析了我國熱帶與亞熱帶老齡林固碳的差異及其驅動因子，發現亞熱帶老齡林固碳能力是熱帶的2.4倍；熱帶老齡林在乾季是碳匯而溼季是碳源，亞熱帶老齡林乾濕季都是碳匯；熱帶老齡林固碳的季節動態由呼吸作用驅動（單因子 ），而亞熱帶的季節動態由呼吸和光合作用共同驅動（雙因子）；熱帶與亞熱帶老齡林固碳的年際變異都由年降水量驅動
  • 水稻光合碳和微生物同化碳的礦化特徵及其激發效應獲新進展
    由中科院亞熱帶農業生態研究所吳金水研究員領銜的農業生態過程方向研究團隊近日在水稻光合碳和微生物同化碳的礦化特徵及其激發效應獲新進展。　　土壤有機碳絕大部分來自光合碳的輸入與轉化，光合碳通過根系周轉與根系分泌物（根際沉積作用）等進入土壤碳庫。
  • 研究揭示長期施肥抑制根際微生物固氮的作用機制
    生物固氮是地球上最重要的生態過程之一，在農田生態系統中，作物總生物量中大約24%的氮來源於微生物的非共生固氮過程。根際是農田土壤中微生物最為活躍的區域，根際中固氮微生物群落與作物的生長息息相關。然而，長期以來，大量化肥及有機物料的投入大大降低了農田土壤微生物的固氮作用。
  • 揭示不同活性碳輸入量對稻田土壤有機碳礦化激發效應的影響機制
    然而，激發效應可能隨土壤活性碳輸入量的增加而改變其強度甚至方向（即由正激發變為負激發效應）；在不同碳輸入量下，激發效應的機制是否都可用「N-mining」假說加以解釋，至今尚難定論。為此，中國科學院亞熱帶農業生態研究所吳金水團隊通過向淹水水稻土添加不同量的13C標記葡萄糖，連續觀測了60d培養期內的SOM激發效應動態，並結合13C-PLFA技術，分析了不同類群微生物的碳源利用情況，探討了在不同葡萄糖輸入量下激發效應機制（微生物N獲取策略）的變化。
  • 稻田生態系統碳氮關鍵過程研討會在亞熱帶生態所召開
    10月14日至15日，「稻田生態系統碳氮關鍵過程研討會」在中國科學院亞熱帶農業生態研究所召開，會議由亞熱帶生態所研究員葛體達主持，來自法國農業科學院、中科院地理科學與資源研究所、中國礦業大學、南京農業大學、中南林業科技大學、亞熱帶生態所等多家單位的30餘名專家學者與會。
  • 中科院黨組巡視組向亞熱帶生態所反饋巡視情況
    馬揚在反饋意見中指出，亞熱帶生態所黨委認真貫徹落實黨中央決策部署和院黨組要求，面向區域生態與農業的重大挑戰，在亞熱帶農業生態系統過程與調控、亞熱帶農牧系統畜禽營養與健康養殖等方向較好地完成了「十三五」時期「一二三」規劃任務。