稻田砷转化微生物群落

宏基因组/宏转录组定量解析砷氧化还原与氮碳循环的耦合，识别主要功能类群。

Zhao, Di · 高煜 · 彭静静 · 张思玉

Microbiome 2024

技术优势

精准定量五种功能基因

构建并应用 ROCker 模型，能在短读段宏基因组和宏转录组数据中灵敏且特异地检测并定量 As 氧化（aioA, arxA）和还原（arrA, arsC1, arsC2）基因。

识别主导氧化与还原的微生物

明确了携带 aioA 的亚群落主要驱动 As(III) 氧化，携带 arsC2 的亚群落主要驱动 As(V) 还原。

揭示砷与氮碳循环耦合机制

发现 aioA 与反硝化基因 narG/nirK、arxA 与 napA/nirS、arrA/arsC2 与 pmoA/mcrA 的转录活性显著相关，表明 As(III) 氧化偶联反硝化、As(V) 还原偶联甲烷氧化。

污染土壤中耦合活性更高

在砷污染稻田中，砷相关基因与氮/碳代谢基因的共现和转录活性高于未污染土壤，说明微生物群落可能通过增强耦合代谢响应砷胁迫。

应用场景

• 农田微生物群落：解析水稻根际砷转化微生物组成与活性，指导调控农田微生物群落降低稻米砷累积。
• 生物修复：提供可定向富集的高效砷氧化/还原菌群，用于构建生物修复菌剂原位固定或去除砷。
• 食品安全：通过调控稻田微生物的砷转化耦合代谢，削减水稻对砷的吸收，保障稻米食用安全。