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亚热带典型小流域稻田周丛生物中微生物来源和群落构建机制取得进展
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反刍动物后肠道低甲烷排放性状形成的氢代谢机制研究取得新进展
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反刍动物微生物与宿主协同发育模式研究取得新进展
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处理养殖废水过程中植物根际微生物的响应机制取得进展
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稻田土壤碳铁耦合固碳机制研究系列进展
亚热带典型小流域稻田周丛生物中微生物来源和群落构建机制取得进展
稻田周丛生物是生长于稻田土壤表面的微生物聚集体，主要由细菌、藻类、真菌和原生动物等组成，在氮磷养分循环过程，特别是在面源污染中起重要作用。明确稻田周丛生物中微生物来源及群落构建过程，可以为调控稻田周丛生物的生长，从而服务于稻田面源污染防控和固碳减排。
本研究采集了亚热带典型小流域范围内的水稻田土壤、田面水和周丛生物样本，利用扩增子测序、SourceTracker和iCAMP分析了土壤和田面水微生物对周丛生物微生物来源的贡献及其构建机制。
研究结果表明，周丛生物广泛分布于水稻田中，且与稻田土壤相比，其细菌α多样性较低，而真核生物多样性较高；周丛生物中含有丰富的蓝藻（13.5-33.5%）、绿藻（23.3-90.0%）、硅藻（5.4-40.9%）和线虫（1.3-17.3%）。与土壤相比，田面水是周丛生物中真核生物更重要的来源（63.7% vs. 10.0%）；田面水和土壤对周丛生物中细菌的来源贡献相当（38.4% vs. 41.6%）。周丛生物微生物群落的构建主要受同质选择、扩散限制和生态漂移的驱动；同质选择（50.9%）对真核生物群落的构建更为重要，而随机过程（即扩散限制和漂移，61.5%）对周丛生物细菌群落的构建更为重要。土壤铵氮和Olsen-P对周丛生物中的真核生物和细菌群落组成有重要影响。
本研究结果揭示了稻田土壤、田面水和生态过程在塑造稻田周丛生物微生物群落中的作用，表明可以通过改善土壤和田面水养分条件来优化周丛生物微生物组成，为防控稻田面源污染提供了一个新的视角。
相关研究成果以Origin and assembly characteristics of periphyton microbes in subtropical paddy fields: A case study in Tuojia catchment in Southern China为题发表在国际著名土壤学期刊Applied Soil Ecology上，沈健林研究员为论文通讯作者，李宗明和何杰为共同第一作者。
本研究得到了国家自然科学基金（4207072367）、湖南省杰出青年基金（2022JJ10056）和青促会优秀会员基金（Y2021102）等项目的共同资助。
反刍动物后肠道低甲烷排放性状形成的氢代谢机制研究取得新进展
近日，中国科学院亚热带农业生态研究所畜禽健康养殖与农牧复合生态研究中心谭支良研究员领衔的农牧复合草食家畜健康高效养殖与生态服务研究团队在微生物学权威期刊Microbiome(一区TOP，IF=13.8)发表了题为Reductive acetogenesis is a dominant process in the ruminant hindgut的研究文章。
该研究以山羊为研究对象，应用转录组、扩增子和宏基因组测序技术，结合体外验证试验，揭示了反刍动物后肠道盲肠低甲烷排放性状的形成机制。
反刍动物是畜牧业的支柱产业，也是最早被驯化用于生产的动物。它们拥有一套独特的消化系统，通过依赖消化道内的微生物降解植物性饲料产生挥发性脂肪酸，从而为动物提供基本的能量来源，同时也是农业活动最大的甲烷排放源。反刍动物消化道由多个胃室（如瘤胃）和后肠（如盲肠）组成。尽管瘤胃和盲肠都是以厌氧发酵为主，超过90%的甲烷是在瘤胃中产生。盲肠具有低甲烷排放的典型特征，但其微生物组成和代谢功能尚不明晰。
本研究系统性地比较了瘤胃和盲肠微生物的组成、代谢功能和活性（图1）。瘤胃富集了以Prevoltella，Ruminococcus和Butyrivbrio为代表的微生物，提高了纤维降解和丙酸生成能力，促进了甲烷菌增殖和甲烷生成。同时瘤胃中溶解氢浓度较低，这可能由于氢营养型产甲烷菌、富马酸盐还原菌（Succiniciasticum）、硝酸盐还原菌（Desulfovibrio）对氢气消耗的增强。盲肠富集了以Akkermansia，Alistipes和Faecousia为代表的粘蛋白降解菌，增强了微生物对宿主来源糖类的利用能力，并促进了乙酸生成。此外，盲肠中还富集了发酵产氢细菌和以HGM1287为代表的甲酸依赖型同型产乙酸菌新谱系。比较基因组发现盲肠中富集到的同型产乙酸菌在系统发育和功能上与瘤胃中的菌群存在显著差异。通过对不同反刍动物物种的瘤胃和盲肠比较，进一步证实了同型产乙酸是反刍动物后肠道微生物的重要代谢过程。因此，同型产乙酸成为盲肠低甲烷排放和氢能高效利用的关键微生物种群。
此研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持，亚热带生态所博士生李秋爽和2021级硕士霍家斌为本论文共同第一作者，王敏研究员为通讯作者。
反刍动物微生物与宿主协同发育模式研究取得新进展
中国科学院亚热带农业生态研究所畜禽健康养殖与农牧复合生态研究中心谭支良研究员团队在反刍动物微生物-宿主互作机制研究领域取得重要进展。
团队通过构建山羊发育模型，首次系统揭示了瘤胃粘膜微生物与宿主上皮细胞的阶段性协同发育规律，相关成果以Microbiome-host co-oscillation patterns in shaping ruminal ecosystem from birth to puberty in a goat model为题发表于SCIENCECHINA-Life Sciences。
作为反刍动物的"发酵工厂"，瘤胃依靠微生物-宿主的精密互作实现植物纤维资源的高效转化。其中，粘膜附着微生物通过与宿主上皮细胞的直接互作，在营养代谢和免疫调控中发挥关键作用。然而，从新生到反刍成熟阶段，宿主-微生物互作网络的动态变化仍尚不清晰。因此，本研究采用转录组和扩增子等技术和构建互作网络等分析手段，解析了从1日龄到90日龄的协同发育模式（图1）。
（1）粘膜菌群呈现“病原相关→粘液降解→纤维分解”的演替路径。1日龄以Mannheimia等条件致病菌为主（占39.7%），10日龄Akkermansia muciniphila等粘液降解菌显著富集（21.4%），至90日龄形成以Succiniclasticum ruminis等纤维分解菌为特征（58.3%）的成熟群落；
（2）宿主粘膜呈现“免疫启动→屏障塑造→代谢成熟”的发育轨迹。1日龄以先天免疫相关基因（TLR2/4、IL-17A、CXCL1/2/3等）高表达为主，10日龄则以粘液代谢核心基因（GCNT3、GAL3ST1）上调和抗氧化防御信号通路（JAK-STAT）激活为特征，至90日龄形成以代谢相关基因（ACADS、BDH1、HDAC）为主导的代谢网络；
（3）菌群-宿主互作呈现阶段特异性模式，即在早期主要强调消化和免疫发育（如，Mannheimia等病原相关菌通过脂多糖-TLR4轴激活宿主固有免疫应答；菌群刺激Th17细胞分化，触发IL-17/JAK2-STAT3通路保护早期粘膜完整性），而在后期则侧重于增强营养代谢（如，纤维分解菌Succiniclasticum ruminis通过琥珀酸分流途径提升丙酸产量，诱导宿主丁酸代谢酶基因BDH1上调）。总之，瘤胃粘膜微生物与宿主的协同互作共同塑造了瘤胃生态系统。
此研究得到了中国科学院战略性先导科技专项子课题（XDA26050501）、西藏中央引导地方资金配套项目-西藏高寒区生态草牧业科技示范（XZ202301YD0012C）、湖南省自然科学基金（2023JJ10047）和湖南省科技创新计划（2022RC1158）的联合资助。亚热带生态所特别研究助理吴建为本论文第一作者，焦金真副研究员和周传社研究员为通讯作者。
处理养殖废水过程中植物根际微生物的响应机制取得进展
植物是人工湿地系统的重要组成部分之一，其根际是植物与微生物相互作用的主要区域。大约5%-21%的总光合固定碳以根系分泌物的形式转移到根际，根系分泌物可以改变根际微生物的丰度和多样性，进而影响人工湿地中氮的去除效率。
然而，处理高负荷污水过程中植物根系分泌物的变化特征及根际微生物群落的响应机制仍不清楚。因此，中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水研究员团队通过野外小区控制试验，选择了美人蕉、梭鱼草和黄菖蒲三种湿地植物对养殖废水进行处理。研究旨在揭示处理高负荷污水过程中湿地植物根际微生物群落的响应特征及氮去除机制。
研究发现：相比于美人蕉，梭鱼草和黄菖蒲更适合处理含高浓度氮的养殖废水。梭鱼草和黄菖蒲根系分泌的溶解性有机碳（DOC）和总有机酸（TOA）在处理养殖废水后分泌速率增加，而美人蕉则呈现相反趋势。不同湿地植物根际微生物群落具有相同的优势门，但其相对丰度上存在差异。在处理养殖废水后微生物群落具有更加明显的协同和共生关系。养殖废水中的NH4+-N、TN浓度、pH、溶解氧（DO）含量以及根系分泌的丙二酸和琥珀酸可促进根际低丰度的氮循环功能微生物生长，进而增强微生物对氮素的降解能力，从而提高了人工湿地中氮的去除效率。本研究结果有助于进一步理解高负荷污水处理过程中植物根际氮的去除机理，也对人工湿地系统处理高负荷污水的功能提升技术具有重要理论价值。
相关研究成果以Effect of root exudation on community structure of rhizosphere microorganism of three macrophytes during treating swine wastewater为题发表在环境科学与生态学Top期刊Journal of Environmental Management上。本研究得到了国家重点研发计划项目（2023YFD1702003）和国家自然科学基金（42077215，42177110）项目的共同资助。
稻田土壤碳铁耦合固碳机制研究系列进展
稻田生态系统作为重要的陆地碳汇系统，其碳固定效能的提升对应对全球气候变化具有重要科学价值和应用前景。铁矿物作为土壤有机碳（SOC）的关键赋存介质，通过表面络合与化学共沉淀作用固定了全球约33.5%的SOC。稻田淹水条件下，微生物异化铁还原过程会导致铁结合态碳的释放与再矿化，这一生物地球化学过程构成了稻田系统碳-铁耦合循环的关键限速步骤。因此，系统阐明稻田土壤中碳铁耦合驱动的有机碳转化与稳定机制，不仅可为构建稻田土壤有机碳增汇技术提供理论依据，更能为全球碳中和目标的实现提供重要理论支撑。
基于上述目标，中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水团队，构建并完善了适合水稻土的碳同位素示踪技术、界面可视化技术、有机碳分解源解析和碳汇功能模型计算等系列方法体系，系统解析了稻田土壤碳铁耦合驱动的有机碳转化与固持过程机制。相关成果发表于Global Change Biology（2022）、Soil Biology and Biochemistry (2023,2024,2025)、Science of the Total Environment (2024a,b)等国际权威期刊。
进展一：水稻根表铁膜的碳“锈汇”机制和功能
根际沉积碳输入土壤后，首先与根际铁氧化物接触并被逐步吸附固定，但目前对于“根系-微生物-土壤”多界面的水稻根际热区的碳铁耦合动态过程机制还尚不清楚。本研究以碳铁循环过程最活跃的水稻根际为研究对象，应用界面可视化技术（原位酶谱、平面光电极等），解析根表铁膜形成及其对根际沉积碳的固持效应及作用机制。研究表明在水稻根系处可以形成根表铁膜，主要通过以下过程有效固定有机碳：水稻根系释放的氧气引起了二价铁氧化为三价铁沉淀，有机碳可以与非晶质铁共沉淀，并阻止微生物矿化。添加二价铁可以有效促进根表铁膜形成，增加固碳效率。该研究预估了全球每季水稻共有130 Mg C通过根表铁膜进行积累，表明在长期水稻种植条件下，新稳定的碳是土壤原有碳库的重要补充，对于更加全面的认识稻田土壤有机质固定机制及实现“碳中和”路径具有重要意义。
进展二：铁还原过程调控水稻根际激发效应强度
水稻根际沉积碳是土壤有机碳库的重要输入源，但也会通过激发微生物代谢活性加速土壤有机碳的分解矿化，产生的正向激发效应。土壤活性铁氧化物可吸附固定新输入的根际碳组分，形成物理化学保护屏障以降低其生物可利用性。为了研究铁氧化物对根际沉积碳的保护、和对土壤有机碳矿化及其根际激发效应的影响，本研究通过13CO2连续标记水稻盆栽试验体系，引入腐植酸作为电子穿梭介质促进异化铁还原过程，探讨Fe(III)还原-有机碳释放过程对根际激发效应的调控机制。结果表明腐植酸加入使水稻根际激发效应强度增加了约25%。根系生长与Fe(III)还原过程协同刺激了根际CO2排放总量，但该过程不受微生物生物量与酶活性变化的影响。分析发现土壤中活性铁氧化物通过物理保护作用降低有机质的微生物分解，而腐植酸通过加速Fe(III)还原，增加铁氧化物保护有机碳的释放，进而提高根际激发效应强度，所以Fe(III)还原与团聚体物理保护共同控制着微生物难接触有机碳向生物可利用有机碳的非生物转化过程，从而调控土壤有机碳的微生物分解矿化；研究结果揭示了活性铁矿物的还原是释放物理化学保护态有机质的限速步骤，其动态过程最终决定水稻根际激发效应的强度。
进展三：碳铁复合物对稻田土壤有机碳的保护效应与机制
传统研究受限于铁-碳复合物与土壤基质的不可分离性，难以定量解析铁矿物类型及碳负载量等关键参数对碳铁复合物稳定性及土壤原有碳矿化的影响。本研究采用同位素示踪技术构建了不同铁矿物类型及碳负载量梯度的多形态碳铁复合物体系，借助室内模拟培养试验，系统解析了2线（低结晶度）和6线（较高结晶度）水铁矿结合态葡萄糖（高/低碳负载量）及土壤原有碳的矿化特征。结果发现：2线水铁矿结合态葡萄糖的累积矿化率较6线水铁矿高21%，证实结晶度增加显著降低铁结合有机碳的生物有效性；碳铁复合物输入导致负激发效应（-0.33%~-0.55% SOC），显示铁矿物对SOC的保护作用；CO2激发效应强度与铁矿物结晶度呈负相关，而CH4激发效应受碳负载量呈正相关。研究明确了铁矿物通过降低其结合的碳被矿化并抑制土壤有机碳矿化，进而促进稻田土壤有机碳积累，且碳积累效应取决于铁矿物的结晶度以及碳负载量。
基于铁矿物单位碳负载量产生的土壤净碳平衡（即碳铁复合物的固碳效率），发现6线水铁矿结合态葡萄糖的固碳效率比2线水铁矿高51%。这主要归因于高结晶度铁矿物更强的有机碳保护能力，其通过限制微生物接触铁保护的有机碳，使其结合碳的矿化率和SOC激发效应强度分别降低29%和67%。同时，碳铁复合物的固碳效率随碳负载量增加呈下降趋势，表明碳铁复合物的稳定性和碳负载量共同构成富铁水稻土固碳效率的关键调控因子。
进展四：铁氧化物形态与结合方式对有机碳稳定性的协同调控
借助厌氧培养实验，系统对比针铁矿与水铁矿通过吸附和共沉淀形式形成的碳铁复合稳定性差异：低结晶度的水铁矿结合葡萄糖矿化率显著高于高结晶度针铁矿处理，这与前者更易被还原的特性密切相关。四种碳铁复合物中，共沉淀态的针铁矿-有机碳复合物表现出最优的固碳效果：相较于游离葡萄糖处理，其13C-CO2矿化量减少17~41%，13C-CH4矿化量降低21~61%，该类型碳铁复合物具有最长有机碳驻留时间和最低矿化速率，且综合温室效应（CO2当量）下降幅度达62~71%。游离葡萄糖处理引发了CO2负激发效应和CH4正激发效应，而铁结合葡萄糖处理则呈现相反的激发效应模式。这种差异可能源于铁氧化物既作为电子受体参与铁还原过程，又通过磷固定加剧微生物养分限制。铁氧化物形态对SOC稳定性的影响强于其与有机碳的结合方式。高结晶度的针铁矿一方面延缓铁还原速率，另一方面降低土壤有效磷的生物可利用性，进而降低SOC分解速率，提高其稳定性。
综上，这些发现系统揭示了水稻土铁氧化物对根际沉积碳的保护机制，阐明了铁氧化物结晶度与有机碳结合方式及碳负载量对SOC积累的协同调控机制。从农业管理角度而言，促进土壤中高结晶度铁氧化物通过共沉淀方式与有机碳结合，不仅能有效提升SOC固存能力，还可通过降低CH4等温室气体排放，显著缓解稻田生态系统对全球变暖的贡献。这些发现为通过铁碳耦合调控实现农业碳中和目标提供了重要的理论依据。
