摘要

背景： 亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化（N-DAMO）途徑在水生生態系統的碳氮循環中扮演著重要角色，該途徑由NC10門的“Candidatus Methylomirabilis oxyfera”（M. oxyfera）介導。類產氧甲烷桿菌（M. oxyfera-like bacteria）在自然界廣泛存在，然而，其在水生植物根際的存在、空間異質性和遺傳多樣性尚未被廣泛報道。

方法： 為了模擬沉水植物的根際微環境，使用根箱法（rhizobox）培養菹草（Potamogeton crispus）。采集根箱三個隔室的沉積物樣品：根區（R）、近根際區（包括五個1毫米寬的子隔室，N1-N5）和非根際區（>5毫米，Non）。使用16S rRNA基因文庫研究這些沉積物中類產氧甲烷桿菌的多樣性。

結果： 在所有三個區域都發現了類產氧甲烷桿菌，所有16S rRNA基因序列歸屬于16個操作分類單元（OTUs）。在近根際區的N1子隔室中發現了最多的OTUs（6個），在根區（R）和近根際區的N5子隔室中發現了最少的OTUs（各4個）。細菌群落多樣性指數（香農指數，Shannon）和豐富度指數（Chao1）分別為0.73-1.16和4-9。系統發育分析顯示，OTU1-11被歸類到b群，而OTU12屬于NC10的一個新簇。

討論： 我們的結果證實了在沉水植物菹草的根際微環境中存在類產氧甲烷桿菌。本研究中，類產氧甲烷桿菌的b群是優勢群，這與之前在大多數其他環境中a群和b群共存的發現相反。我們的結果表明，理解類產氧甲烷桿菌b群的生態生理學可能有助于解釋它們在水生植物根際沉積物中的存在。

引言

沉水水生植物周圍通常幾毫米厚的區域被稱為根際。它是植物根系與微生物過程之間許多生物地球化學相互作用的“熱點”（Hartmann, Rothballer & Schmid, 2008）。與沉積物過程和植物代謝相關的環境因素，包括消耗或產生的氧氣（Bodelier, 2003）和植物分泌的營養滲出物（Haichar et al., 2014），影響著根際的群落結構，并使該區域的微生物多樣性與周圍沉積物不同。與氮轉化相關的微生物活動在植物根際尤其活躍，由與植物根部密切相關的氮循環細菌介導。

據報道，在石灰巖地區，植物根際氨氧化細菌的多樣性和豐度高于大塊土壤（Ai et al., 2013）。水稻和小麥根際反硝化細菌的豐度也高于非根際土壤（Hussain et al., 2011; Hamonts et al., 2013）。根際微生物群落的活性，特別是微生物氮循環，常受寄主植物物種的影響（Ruiz-Rueda, Hallin & Ba?eras, 2009; Hu et al., 2015）。例如，已發現黃菖蒲（Iris pseudocorus）和香蒲（Typha orientalis）根際沉積物中厭氧氨氧化細菌的多樣性高于再力花（Thalia dealbata）（Chu et al., 2015）。氮循環微生物是湖泊反硝化的主要驅動因素（Zhao et al., 2015），因此了解根際沉積物中的微生物多樣性有助于加強湖泊富營養化的修復。

Candidatus Methylomirabilis oxyfera，或稱產氧甲烷桿菌（M. oxyfera bacteria），屬于NC10門，目前尚無法獲得純培養物（Ettwig et al., 2010）。一些類產氧甲烷桿菌可以在厭氧條件下，通過稱為亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化（N-DAMO）的過程（Raghoebarsing et al., 2006; Ettwig et al., 2010），將甲烷氧化與亞硝酸鹽還原耦合。這些生物具有內部產氧機制，被認為是第四大生物產氧途徑，可能對全球碳氮循環產生重大影響（Wu et al., 2011; Ettwig et al., 2012）。許多研究關注了棲息于水生生態系統的N-DAMO微生物和類產氧甲烷桿菌的存在。類產氧甲烷桿菌的16S rRNA基因已在海洋（Chen, Zhou & Gu, 2014）、河口（Shen et al., 2014b; Chen, Zhou & Gu, 2015; Yan et al., 2015）、湖泊（Deutzmann & Schink, 2011; Kojima et al., 2012; Wang et al., 2017）、河流（Shen et al., 2014a）、天然濕地（Wang et al., 2016）、泥炭地（Zhu et al., 2012）和人工濕地生態系統（Zhu et al., 2015）中檢測到。Ettwig et al.（2009）將NC10細菌的16S rRNA基因分為四組：a, b, c, 和 d。a組和b組被認為是優勢分支。目前已知具有N-DAMO功能的類產氧甲烷桿菌屬于a組（Welte et al., 2016）。然而，b組在大多數自然環境中被發現，并且在許多淡水環境中占據了類產氧甲烷桿菌群落的大部分（Wang et al., 2016; Kojima et al., 2012; Shen et al., 2015）。盡管NC10門的類產氧甲烷桿菌廣泛存在，但尚未在水生植物的根際中報道。

許多研究表明，厭氧微生物，如反硝化細菌和厭氧氨氧化細菌，存在于水生植物的根際（Lu et al., 2014; Zheng et al., 2016），因此我們推測類產氧甲烷桿菌也可能存在于該區域。在本研究中，使用根箱法實驗培養來自淡水湖泊的沉水植物，以檢測沉水植物根際和非根際區域類產氧甲烷桿菌的出現和多樣性。