Mol Plant | 湖南农业大学农学院靳云凯团队联合瑞典农业科学大学完成控制水

臧心 · 2025-3-4 22:52:33

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生命科学

Life science

甲烷做为世界第二大温室效应气体，所造成的温室效应仅次于二氧化碳，占世界总温室效应的20%。水稻田为全球第四大甲烷排放源，所排放甲烷占全球甲烷总排放量的17%。我们国家已将甲烷排放列入到了2060年"碳中和"目标中。湖南农业大学/岳麓山实验室靳云凯、胡佳等团队成员从2012年开始着手水稻田甲烷排放研究，在水稻中通过优化碳源分配以及对根分泌物中的关键调控物质进行挖掘和验证，利用十二年的时间系统分析了水稻田甲烷排放的调控机理，并提出了有效的应对措施。整个工作分为四步进行了完成：该阶段最新工作以“Reducing methane emissions by developing low-fumarate high-ethanol eco-friendly rice”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Molecular Plant。

优化碳源分配理念的提出

大麦中，HvSUSIBA2基因作为一个转录因子控制着碳源分配和种子中淀粉的合成，在将HvSUSIBA2基因导入水稻中以后，更多的碳源运输到水稻茎和种子用以种子中淀粉的合成，而运输到根部的碳源减少，甲烷排放降低（Su et al., Nature. 523, 602-606 (2015), 图1a）。通过对SUSIBA2水稻碳源分配与甲烷排放之间的关系，作者提出了在常规育种过程中通过优化碳源分配控制甲烷排放和培育低甲烷高产水稻的理念。

图1. 碳源分配的优化降低水稻田甲烷排放
构建碳分配优化水稻模型

以优化碳源分配理念为指引，作者培育出了多个碳源分配得到优化的高产低甲烷新型水稻品系，即：在培育的水稻品系中，光合产物在糖转运蛋白的协助下更多的运送到了水稻籽粒中，提高了作物产量，而往根部运输的有机碳源降低，根周微生物包括甲烷菌食物来源减少，甲烷形成能力降低，最终达到了高产低甲烷的目的。在此基础上，团队构建了高产低甲烷水稻中碳源分配优化的水稻模型（Hu et al., Environ Sci Pollut Int. 40, 92950-92962 (2023); Hu et al., Sci Total Environ. 17, 920:170980 (2024a); Kwon et al., Trends Plant Sci. 16:S1360-1385(24)00150-X (2024), 图1b）。

证实根分泌物调控甲烷排放

作者研究发现，水稻与甲烷排放呈现协同进化的趋势，水稻根分泌物作为中间媒介物，介导了整个协同进化的历程，证实了水稻根分泌物对甲烷排放的重要调控作用（Hu et al., Environ Int. 190:108913 (2024b), 图2）。

图2. 水稻根分泌物调节水稻甲烷排放
证明根分泌的延胡索酸和乙醇控制着水稻田甲烷排放

该项工作在湖南农业大学、瑞典农业科学大学、中国计量大学和江苏省农科院等多家单位的联合协助下，以SUSIBA2低甲烷水稻为模式植株，通过代谢组、转录组和微生物组的综合分析，并结合甲烷排放水平以及根际土壤体外培养等试验成功分离并证明了延胡索酸和乙醇作为根分泌物，在水稻田甲烷排放过程中起着重要调控作用（Jin et al., Mol. Plant. 18, 333-389 (2025), 图3）。其中，延胡索酸作为甲烷菌主要上游碳源和电子传递体对甲烷菌的生长繁殖及甲烷排放都起着重要的正向调控作用，而乙醇作为一种甲烷菌繁殖的抑制剂，在抑制甲烷菌的同时还能够抑制延胡索酸的代谢活性，进而抑制甲烷排放。课题组通过对研究成果的实际应用，已培育出多个低甲烷高产水稻品系。同时，在大田条件下利用筛选的物化产品通过抑制延胡索酸的还原酶活性，成功降低了至少60%水稻田甲烷排放。

图3. 延胡索酸和乙醇联合调控水稻田甲烷排放
以上工作的完成为降低全球水稻田甲烷排放提供了很好的理论基础和实践指导，将有助于在短期内解决水稻田甲烷排放而导致的环境问题。

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