《Applied Soil Ecology》：Microbial regulation of the molecular succession of dissolved organic matter in paddy soils across rice phenological stages
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水稻生长阶段影响土壤溶解有机物（DOM）分子组成及微生物互作机制，通过FT-ICR MS、16S测序和metatranscriptomics发现DOM从易分解向芳香稳定分子转变，与Thermoleophilia和Actinobacteria丰度变化及代谢通路调控相关。
冯雪英|王晓敏|吴萌|马晓芳|梁林浩|张玉萌|严晓媛|单俊
中国科学院土壤科学研究所土壤与可持续农业国家重点实验室，南京，211135，中国
摘要
溶解有机质（DOM）在土壤碳循环中起着关键作用，然而其在稻田中的分子动态及其相关的微生物机制仍知之甚少。本研究结合了傅里叶变换离子阱质谱（FT-ICR MS）、16S rRNA测序和宏转录组学技术，对水稻的不同生长阶段（幼苗期、分蘖期、抽穗期、成熟期和收获期）进行了分析，以追踪DOM的分子演变过程，并揭示了微生物活动与DOM转化之间的定向耦合关系。研究结果表明，DOM的组成在不同生长阶段存在差异：在早期生长阶段，易分解且富含氧的化合物占主导地位；而在后期生长阶段，这些化合物逐渐积累。在整个生长过程中共检测到38,420种潜在的DOM转化途径，其中超过55%为热力学受限的过程，表明DOM的演变主要受微生物调控。DOM分子组成的变化与微生物群落结构的变化相一致，如嗜热菌和放线菌等核心类群的相对丰度在不同生长阶段也发生了变化。格兰杰因果分析表明，DOM从易分解的形式向芳香性和稳定性更强的形式转变。宏转录组学进一步显示，早期阶段能量代谢和氨基酸代谢相关基因的表达促进了易分解DOM的转化，而后期阶段脂质代谢及相关基因的表达增强了复杂底物的处理能力。这些发现突显了稻田土壤中微生物动态与DOM分子演变之间的阶段依赖性关联，为理解微生物活动如何影响DOM转化过程提供了机制上的见解，这对农业生态系统中的土壤碳持久性具有重要意义。
引言
溶解有机质（DOM）是土壤碳库中一个高度动态的组成部分，在调节土壤生态系统的生物地球化学循环中起着关键作用（Kalbitz和Kaiser，2003）。尽管DOM仅占土壤有机质（SOM）的一小部分（Bolan等人，2011），但其分子特性和组成多样性决定了它是作为短暂的能量来源还是有助于稳定持久的SOM库（Wang等人，2025）。在稻田土壤中，DOM的组成在植物生长和氧化还原条件变化的过程中会发生显著变化，这些变化会影响微生物的代谢和碳的命运（Li等人，2023）。稻田的周期性淹水和排水会产生交替的氧化还原条件，从而强烈影响DOM的转化途径和微生物活动（K?gel-Knabner等人，2010）。多项研究也报告了DOM的化学多样性具有生长阶段的依赖性（Li等人，2016；Li等人，2023；Lv等人，2024），表明其分子芳香性和复杂性受到植物生长阶段和植物来源碳输入强度的强烈影响。稻田土壤的氧化还原条件对DOM的转化途径和微生物代谢策略具有显著调控作用。在氧化-还原条件波动的情况下，微生物优先降解低分子量、低芳香性的DOM，这反映了这些底物的热力学优势（Carneiro Barreto等人，2024；Xiao等人，2024）。尽管有这些观察结果，大多数现有研究主要集中在DOM浓度或化学指数的描述性分析上（Li等人，2018b；Zhang等人，2021；Zhou等人，2024），而关于水稻不同生长阶段DOM转化的分子机制仍大多尚未阐明。
微生物与环境过程共同控制着土壤中DOM的命运（Hu等人，2022b）。微生物既作为消费者分解和矿化易分解的DOM，也作为生产者将代谢副产物重新释放回DOM库中（Lehmann和Kleber，2015；Zhou等人，2019）。DOM与微生物群落之间的双向相互作用形成了一个高度动态的反馈系统，调控着碳的转化和稳定（McDonough等人，2022；Xia等人，2025）。最近的高通量测序研究揭示了水稻不同生长阶段微生物群落组成的演变规律（Wang等人，2016），在早期阶段以大量营养型微生物（如变形菌）为主，而在后期或淹水阶段则以厌氧类群（如绿弯菌、产甲烷菌）为主（Edwards等人，2018；Pan等人，2021）。这些微生物的变化伴随着功能基因表达的转变，特别是与碳获取、发酵和产甲烷相关的基因（Pan等人，2021）。尽管先前的研究已经证明了微生物群落组成与DOM性质之间的相关性（Li等人，2018a；Lv等人，2024），但驱动分子转化的时间滞后响应和功能机制仍大多不清楚。在复杂的微生物生态系统中，统计框架（如格兰杰因果分析）已被成功应用于推断微生物类群与代谢物之间的定向和时间滞后关系（Sugihara等人，2012；Ai等人，2019；Barraquand等人，2021）。
高分辨率质谱技术和多组学技术的应用为表征DOM的分子演变及其与微生物活动的耦合提供了新的机会（Danczak等人，2020），揭示了DOM化学多样性、微生物群落动态和生态系统功能之间的紧密联系（Hu等人，2022a；Wu等人，2022）。尽管取得了这些进展，但微生物活动如何影响水稻不同生长阶段DOM分子的选择性转化仍不清楚。为了填补这一知识空白，我们整合了DOM分子表征（FT-ICR MS）、微生物群落分析（16S rRNA测序）和功能基因表达（宏转录组学）方法，以揭示微生物活动与DOM转化之间的联系，从而为稻田生态系统中碳的稳定提供了机制上的证据。我们提出以下假设：（i）DOM的分子特性遵循由非生物转化和微生物作用共同驱动的可预测时间演变规律；（ii）核心微生物类群及其功能基因是DOM转化的关键调控因子，介导了从易分解形式向稳定形式的转化。
研究地点和土壤采样
本研究在一个长期运营的稻田中进行，该稻田位于中国南京的唐山现代农业示范区（31°59′N，119°04′E）。根据世界土壤资源参考数据库（WRB）的分类，该土壤属于粉壤土类型，属于Gleyic Fluvisol土类。为了研究水稻不同生长阶段DOM及其相关微生物活动的时间动态，我们在同一实验区域采集了土壤样本。
DOM的特性和多样性
在每个水稻生长阶段检测到的DOM分子总数范围为4051至10,275个（图S2），每个阶段的独特DOM分子数量范围为2832至6446个（图1A），表明DOM库处于持续更新状态。虽然幼苗期的独特DOM分子数量最多，但DOM的化学多样性在分蘖期达到峰值（图1A），反映了早期水稻生长后分子异质性的增强。主坐标分析进一步证实了这一现象。
水稻生长阶段和微生物活动对DOM组成的影响
已有研究表明，水稻生长阶段显著影响DOM的分子组成和化学多样性（Li等人，2023），主要是因为水稻生长阶段的变化改变了植物来源的DOM输入（如根系分泌物和木质化残余物）（K?gel-Knabner等人，2010；Li等人，2016；Lv等人，2024），同时微生物群落结构的变化也调控了DOM分子的选择性转化和稳定（Hu等人，2020）。分子特性的变化
结论
我们的研究表明，水稻生长阶段显著影响了DOM的分子组成及相关微生物功能。在早期生长阶段，易分解的DOM占主导地位，促进了快速的微生物转化；而在后期生长阶段，芳香性和稳定性更强的分子逐渐积累，同时相关基因（如CBMs/AAs和脂质代谢基因）的表达上调。随着水稻生长的进行，DOM向类似木质素的分子转变，这些分子的氧化状态较低。
CRediT作者贡献声明
冯雪英：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据整理。王晓敏：撰写、审稿与编辑、方法设计、实验设计、资金争取。吴萌：撰写、审稿与编辑。马晓芳：撰写、审稿与编辑。梁林浩：撰写、审稿与编辑、概念构思。张玉萌：撰写、审稿与编辑。严晓媛：指导工作。单俊：撰写、审稿与编辑、指导工作、方法设计、资金争取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42307395和42177303）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20231098）、中国国家创新人才博士后计划（项目编号：BX20230382）、中国博士后科学基金（项目编号：2023M733594）以及江苏省优秀博士后计划（项目编号：2023ZB060）的资助。
