摘要

背景： 亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化（N-DAMO）途径在水生生态系统的碳氮循环中扮演着重要角色，该途径由NC10门的“Candidatus Methylomirabilis oxyfera”（M. oxyfera）介导。类产氧甲烷杆菌（M. oxyfera-like bacteria）在自然界广泛存在，然而，其在水生植物根际的存在、空间异质性和遗传多样性尚未被广泛报道。

方法： 为了模拟沉水植物的根际微环境，使用根箱法（rhizobox）培养菹草（Potamogeton crispus）。采集根箱三个隔室的沉积物样品：根区（R）、近根际区（包括五个1毫米宽的子隔室，N1-N5）和非根际区（>5毫米，Non）。使用16S rRNA基因文库研究这些沉积物中类产氧甲烷杆菌的多样性。

结果： 在所有三个区域都发现了类产氧甲烷杆菌，所有16S rRNA基因序列归属于16个操作分类单元（OTUs）。在近根际区的N1子隔室中发现了最多的OTUs（6个），在根区（R）和近根际区的N5子隔室中发现了最少的OTUs（各4个）。细菌群落多样性指数（香农指数，Shannon）和丰富度指数（Chao1）分别为0.73-1.16和4-9。系统发育分析显示，OTU1-11被归类到b群，而OTU12属于NC10的一个新簇。

讨论： 我们的结果证实了在沉水植物菹草的根际微环境中存在类产氧甲烷杆菌。本研究中，类产氧甲烷杆菌的b群是优势群，这与之前在大多数其他环境中a群和b群共存的发现相反。我们的结果表明，理解类产氧甲烷杆菌b群的生态生理学可能有助于解释它们在水生植物根际沉积物中的存在。

引言

沉水水生植物周围通常几毫米厚的区域被称为根际。它是植物根系与微生物过程之间许多生物地球化学相互作用的“热点”（Hartmann, Rothballer & Schmid, 2008）。与沉积物过程和植物代谢相关的环境因素，包括消耗或产生的氧气（Bodelier, 2003）和植物分泌的营养渗出物（Haichar et al., 2014），影响着根际的群落结构，并使该区域的微生物多样性与周围沉积物不同。与氮转化相关的微生物活动在植物根际尤其活跃，由与植物根部密切相关的氮循环细菌介导。

据报道，在石灰岩地区，植物根际氨氧化细菌的多样性和丰度高于大块土壤（Ai et al., 2013）。水稻和小麦根际反硝化细菌的丰度也高于非根际土壤（Hussain et al., 2011; Hamonts et al., 2013）。根际微生物群落的活性，特别是微生物氮循环，常受寄主植物物种的影响（Ruiz-Rueda, Hallin & Bañeras, 2009; Hu et al., 2015）。例如，已发现黄菖蒲（Iris pseudocorus）和香蒲（Typha orientalis）根际沉积物中厌氧氨氧化细菌的多样性高于再力花（Thalia dealbata）（Chu et al., 2015）。氮循环微生物是湖泊反硝化的主要驱动因素（Zhao et al., 2015），因此了解根际沉积物中的微生物多样性有助于加强湖泊富营养化的修复。

Candidatus Methylomirabilis oxyfera，或称产氧甲烷杆菌（M. oxyfera bacteria），属于NC10门，目前尚无法获得纯培养物（Ettwig et al., 2010）。一些类产氧甲烷杆菌可以在厌氧条件下，通过称为亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化（N-DAMO）的过程（Raghoebarsing et al., 2006; Ettwig et al., 2010），将甲烷氧化与亚硝酸盐还原耦合。这些生物具有内部产氧机制，被认为是第四大生物产氧途径，可能对全球碳氮循环产生重大影响（Wu et al., 2011; Ettwig et al., 2012）。许多研究关注了栖息于水生生态系统的N-DAMO微生物和类产氧甲烷杆菌的存在。类产氧甲烷杆菌的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）、天然湿地（Wang et al., 2016）、泥炭地（Zhu et al., 2012）和人工湿地生态系统（Zhu et al., 2015）中检测到。Ettwig et al.（2009）将NC10细菌的16S rRNA基因分为四组：a, b, c, 和 d。a组和b组被认为是优势分支。目前已知具有N-DAMO功能的类产氧甲烷杆菌属于a组（Welte et al., 2016）。然而，b组在大多数自然环境中被发现，并且在许多淡水环境中占据了类产氧甲烷杆菌群落的大部分（Wang et al., 2016; Kojima et al., 2012; Shen et al., 2015）。尽管NC10门的类产氧甲烷杆菌广泛存在，但尚未在水生植物的根际中报道。

许多研究表明，厌氧微生物，如反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌，存在于水生植物的根际（Lu et al., 2014; Zheng et al., 2016），因此我们推测类产氧甲烷杆菌也可能存在于该区域。在本研究中，使用根箱法实验培养来自淡水湖泊的沉水植物，以检测沉水植物根际和非根际区域类产氧甲烷杆菌的出现和多样性。