摘要
稻田是大气中甲烷的重要来源，水稻植株根系对稻田甲烷的排放有重要影响。G蛋白α亚基(Gα)参与多种水稻信号转导途径，调节水稻的生长发育。明确Gα对水稻植株根系形态生理特征的调节及影响稻田甲烷排放的生理和分子机制，可以为稻田甲烷减排提供理论和实践依据。本实验以野生型9311和Gα缺失突变体rga1为材料，从水稻根系形态生理特征、根系和叶鞘通气组织、土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度，甲烷氧化菌活性等方面研究突变体rga1在稻田甲烷产生、氧化和传输中的作用，以及Gα在过氧化氢介导的根系通气组织形成过程中的作用。取得的主要研究结果如下: 1、突变体rga1稻田甲烷排放量高于野生型9311。水稻生育中期(40-82d)甲烷排放量占全生育期甲烷排放总量的40.3-49.2％，生育中期突变体rga1稻田甲烷排放通量比野生型9311高36.8-56.3％，甲烷排放总量比野生型高53.3％。水稻营养生长期(1-40d)和生殖生长后期(82-110d)稻田甲烷排放差异不显著。因此，突变体rga1和野生型9311在生育中期的形态生理特征差异、以及对土壤中甲烷产生和氧化过程的影响是造成rga1稻田甲烷排放增加的主要原因。 2、突变体rga1根系形态生理特征影响稻田甲烷排放。突变体rga1的根干重、根长、根数和根表面积、根系氧化力和根系泌氧能力显著低于野生型9311，根直径与野生型9311没有显著差异，根冠比显著高于野生型9311。表明突变体rga1根系比野生型9311小，根系氧化力和根系泌氧能力弱，不利于氧向根际土壤的运输，抑制甲烷氧化菌的生长，减少甲烷的氧化，从而增加了稻田甲烷的排放。 3、突变体rga1通气组织影响稻田甲烷的排放。叶鞘通气组织越发达甲烷排放量越高，两者之间呈显著正相关性（r=0.900*-0.980*）;根通气组织越发达甲烷排放越低，两者之间呈显著负相关性（r=-0.833*）。突变体rga1的叶鞘通气组织显著大于野生型9311，甲烷通过叶鞘通气组织的传输能力增强。突变体rga1根系通气组织比9311小，减弱了水稻根系对氧气的传输能力，抑制根际土壤中甲烷氧化菌的生长，不利于甲烷的氧化作用，增加甲烷的排放。 4、G仅参与过氧化氢介导的水稻根系皮层细胞死亡和通气组织形成过程。突变体rga1根尖1cm处H2O2含量高于野生型9311，细胞死亡率小于野生型9311，表明Gα缺失使H2O2介导的细胞死亡过程出现异常，进而影响根通气组织的形成。基因表达的结果表明，突变体rga1根中过氧化氢的增高是由于产生H2O2的基因Rboh表达上升，清除H2O2的金属硫蛋白MT2b基因表达下降引起的，细胞死亡率低是因为促进根皮层细胞死亡的XET基因表达下降引起的。综上所述，Gα参与过氧化氢介导的水稻根系皮层细胞死亡和通气组织形成过程。 5、突变体rga1改变根际土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌群落丰度。突变体rga1增加了土壤中产甲烷菌优势菌的比例，减少了甲烷氧化菌优势菌的比例。产甲烷菌中的Methanobacterium、Methanoregula、Methanosphaera是土壤中产甲烷菌的优势菌，突变体rga1土壤中产甲烷菌优势菌比例高于野生型9311。甲烷氧化菌中Methylomonas，Methylovulum，Methylosarcina是土壤中甲烷氧化菌的优势菌，突变体rga1土壤中甲烷氧化菌优势菌比例低于野生型9311。 6、突变体rga1抑制根际土壤中甲烷氧化菌活性，抑制甲烷的氧化，从而增加稻田甲烷排放。突变体rga1由于缺少Gα，根系通气组织的形成受到抑制，减弱了根系向根际土壤传输氧气的能力，抑制甲烷氧化菌的生长和活性，从而增加稻田甲烷的排放。 综上所述，突变体rga1由于缺少Gα，促进了叶鞘通气组织的形成，抑制了根系通气组织的形成。叶鞘通气组织发达有利于稻田甲烷的运输，增加稻田甲烷的排放;根系通气组织不发达，降低根系氧化力和根系泌氧能力，减少氧向根系土壤的传输，影响土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌的比例和丰度，抑制了甲烷氧化菌的生长和活性，不利于甲烷的氧化，最终导致突变体rga1稻田甲烷的排放增加。
NETL