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华中农大近期科学研究进展

来源：花匠小妙招时间：2024-09-27 09:38

揭示增温促进稻田土壤有机质矿化的潜在机制

8月23日，华中农业大学资源与环境学院生态过程与环境效应团队在水稻土有机碳矿化机制方面的最新研究成果以“Warming promotes the decomposition of oligotrophic bacterial-driven organic matter in paddy soil”为题在Soil Biology and Biochemistry上发表。

全球变暖对土壤碳氮循环造成了难以估量的影响。土壤有机碳周转快慢取决于微生物的活动，研究微生物介导的土壤有机碳分解对温度的响应过程，可为预测全球土壤碳动态变化提供科学依据。气候变化的典型表现形式——暖冬，会加速冬闲期稻田土壤有机碳的分解损失。长期耕作会使稻田表层和底层的有机碳特性及微生物组成产生差异，但学术界对于它们对大气温度升高的响应、对温度变化的敏感性是否存在差异仍存在认知不足。

基于此背景，团队以原状土柱为研究对象，在室内设定温度下培养117天。研究结果表明，0-15 cm表层土壤富含不稳定的溶解性有机碳，表现出高水平的微生物生物量和富营养菌丰度；15-30 cm底层土壤以有机碳含量低且结构复杂为特征，微生物生物量低，其中寡营养菌占据优势。

尽管表层土壤是主要的CO2排放区域，但底层土壤有机碳矿化的温度敏感性更高，促进了顽固性土壤有机质的分解，降低了可溶性有机质的荧光强度。温度升高没有显著改变微生物生物量，但提高了寡营养菌的相对丰度。由于寡营养菌驱动的顽抗性有机质的分解对增温更敏感，全球变暖更易引起底层土壤的碳损失。

图1 增温条件下土壤有机质的周转模式图

本研究从有机质化学性质和微生物代谢策略的角度对稻田土壤有机质矿化的温度敏感性机制提供了新见解，强调在预测未来气候变化与土壤碳的反馈模式时，应加强对深层土壤有机质动态的关注。

我校资源与环境学院博士研究生苏荣琳为论文第一作者，胡荣桂教授为论文通讯作者。资环院赵劲松副教授，吴限博士，博士研究生胡金丽、李华彬、肖恒斌也参与了研究工作。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2023.109156

在鲜切花采后衰老的转录后水平调控分子机制研究中取得新进展

近日，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室和湖北洪山实验室张帆教授课题组揭示了转录后水平调控康乃馨鲜切花采后衰老的分子机制，研究以“An insertion of transposon in DcNAP inverted its function in the ethylene pathway to delay petal senescence in carnation (Dianthus caryophyllus L.)”为题发表在Plant Biotechnology Journal上。

花卉是极其重要的园艺作物，在满足人们的精神需求、服务乡村振兴和美丽中国建设、巩固拓展脱贫攻坚成果中发挥着越来越关键的作用。康乃馨（Carnation）学名为香石竹（Dianthus caryophyllus L.），是世界四大鲜切花之一，也是我国最重要的鲜切花之一，具有极高的观赏价值和经济价值。康乃馨同时也是一种典型的乙烯敏感性切花，被认为是研究乙烯调控鲜切花采后衰老，特别是花瓣衰老的模式植物。课题组的前期研究系统阐明了乙烯在转录水平和翻译后水平调控康乃馨花瓣衰老的分子机制，近期研究也揭示了表观遗传修饰调控康乃馨花瓣衰老的分子机理，但对于乙烯在转录后水平如何调控康乃馨花瓣衰老方面的知识仍有待研究。

为分析乙烯在转录后水平如何调控康乃馨花瓣衰老，本研究对课题组前期构建的乙烯处理不同时间的康乃馨花瓣衰老进程转录组数据进行分析，发现NAC家族转录因子DcNAP在康乃馨花瓣衰老过程中能够快速响应乙烯并显著诱导表达。通过进一步的研究，团队发现康乃馨基因组上存在一对DcNAP等位基因（DcNAP，DcNAP-dTdic1），其中DcNAP-dTdic1等位基因的第二个外显子上插入了一个886bp大小的dTdic1转座子。DcNAP等位基因能够编码含有完整NAC结构域的DcNAP1蛋白，而dTdic1转座子的插入则破坏了DcNAP-dTdic1等位基因的结构，并通过选择性剪接产生NAC结构域发生缺失的DcNAP2蛋白。

图1 dTdic1转座子插入导致衰老关键转录因子DcNAP发生结构变异

研究发现，通过VIGS技术瞬时沉默DcNAP1能够明显延缓康乃馨花瓣的衰老进程，同时乙烯生物合成关键基因和衰老相关基因的表达量显著下降；而瞬时沉默DcNAP2能够明显加速康乃馨花瓣的衰老进程，同时乙烯生物合成关键基因和衰老相关基因的表达量显著上升。这表明DcNAP1和DcNAP2在调控康乃馨花瓣衰老的过程中行使着相反的功能。

图2 沉默DcNAP1和DcNAP2能够分别延缓和加速康乃馨花瓣的衰老进程

进一步的研究发现，DcNAP1能够结合到乙烯生物合成关键基因的启动子上并激活它们的表达, 而DcNAP2则不能结合到乙烯生物合成关键基因的启动子上；但DcNAP2能够与DcNAP1发生直接的相互作用，从而拮抗DcNAP1对乙烯生物合成关键基因的激活作用。同时，团队发现，乙烯信号通路核心转录因子DcEIL3-1能够同时结合到DcNAP1和DcNAP2的启动子上并激活它们的表达。此外，DcNAP-dTdic1等位基因在不同乙烯敏感性康乃馨品种间存在差异，暗示DcNAP-dTdic1等位基因可以作为开发筛选不同乙烯敏感性康乃馨品种的分子标记。

图3 DcNAP2拮抗DcNAP1对乙烯生物合成关键基因的激活作用

团队通过研究阐明了乙烯在转录后水平调控康乃馨花瓣衰老的分子机制，能够进一步拓宽人们对康乃馨花瓣衰老分子调控网络的认识。这为筛选和培育货架期及瓶插期延长的康乃馨新品种奠定了关键的理论基础，为分子标记开发提供重要的基因资源。同时，本研究为人工操纵NAC转录因子的NAC结构域进行作物遗传改良提供了有效策略。

图4 乙烯在转录后水平调控康乃馨花瓣衰老的工作模型

华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室博士研究生孙政为论文第一作者，张帆教授为论文通讯作者，程运江教授和包满珠教授参与了本项研究。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14132

在堆肥臭气处理研究中取得新进展

近日，华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院动物遗传与环境生物工程团队在堆肥臭气处理研究中取得新进展，研究成果以“Synthetic microbial consortia to enhance the biodegradation of compost odor by biotrickling filter”为题在Bioresource Technology上发表。

堆肥是畜禽粪便无害化处理和资源化利用的主要方法，但其过程常伴随着氨、硫化氢以及其他挥发性有机物等有害气体的产生，对环境造成严重污染。生物滴滤法是一种成本低廉且高效的气味治理手段，特别是在真菌和细菌联合应用的情况下，生物滴滤法在降解恶臭气体上表现出更加卓越的性能。在此背景下，研究团队为筛选具有良好臭气降解效果的真菌和细菌菌株，将其引入生物滴滤塔，以提高臭气消减效率。

团队分离筛选了对氨氮具有良好降解能力的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、具有脱硫能力的蜡样芽胞杆菌（Bacillus cereus）和可降解二甲基二硫醚的裂褶菌（Schizophyllum commune）各1株，构建成高效除臭复合菌系并引入生物滴滤塔，成功实现了堆肥臭气中氨和硫化氢的高效去除，且去除率分别达到92.43%和92.75%。研究结果表明，与接种活性污泥相比，甲硫醇、甲硫醚和二甲基二硫醚的去除效果均显著提高。

此外，团队对接种复合菌系的生物滴滤塔不同时期的填料进行采样，利用16S rRNA高通量测序分析优势微生物群落。结果显示，伴随着生物滴滤塔的运行，生物群落的多样性趋于稳定，其中Proteobacteria, Actinobacteriota, Bacteroidota和 Firmicutes是整个运行过程中的优势菌门，占全部微生物组成的90%以上。本研究为畜禽粪便堆肥臭气管理提供了一项高效且创新的解决方案，有助于提升生物滴滤塔除臭性能，同时也为畜禽养殖过程中臭气净化处理提供了有效策略。