近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)汪鵬教授團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表了題為“The balance between microbial arsenic methylation and demethylation in paddy soils underpins global arsenic risk and straighthead disease in rice”的研究論文。該研究揭示了稻田土壤中微生物如何調(diào)控砷形態(tài)轉(zhuǎn)化，從而影響稻米安全與水稻直穗病發(fā)生的地理分布規(guī)律。這一發(fā)現(xiàn)為應(yīng)對(duì)全球水稻產(chǎn)區(qū)的砷污染和防控直穗病防控提供了新視角。

水稻直穗病是一種導(dǎo)致稻穗畸形、不結(jié)實(shí)甚至絕收的嚴(yán)重生理病害，因病穗常呈“鸚鵡嘴”狀開(kāi)裂、直立不垂，江淮稻區(qū)農(nóng)民也稱(chēng)之“旱青立病”或“炸殼病”。這種病害在歐美、中國(guó)長(zhǎng)江中下游等地區(qū)尤為常見(jiàn)，尤其發(fā)生在由旱地新改為水田或水旱輪作的稻田中，但其成因和有效防治措施一直不明確。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該病害的發(fā)生與稻穗中積累的兩種含砷物質(zhì)——二甲基砷（DMA）及其毒性更強(qiáng)的衍生物（二甲基一巰基砷DMMTA）密切相關(guān)，而這些物質(zhì)來(lái)自土壤微生物砷的甲基化作用。土壤中存在著兩類(lèi)功能相反的微生物類(lèi)群：一類(lèi)將砷甲基化為對(duì)植物毒性大的甲基砷（產(chǎn)毒），另一類(lèi)則將甲基砷脫甲基（解毒）。

通過(guò)對(duì)我國(guó)不同種植年限的稻田（慈溪：1-2000年；廣安：1-300年；鷹潭：1-100年）進(jìn)行系統(tǒng)研究，團(tuán)隊(duì)揭示了一個(gè)關(guān)鍵規(guī)律：新稻田中土壤砷甲基化的“產(chǎn)毒”微生物占優(yōu)，甲基砷積累多，直穗病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)高；而老稻田中土壤DMA脫甲基的“解毒”微生物（主要為甲基營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌）豐富，產(chǎn)生的甲基砷容易被降解，直穗病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)低（圖1）。

該研究還精準(zhǔn)鑒定出11種關(guān)鍵的“產(chǎn)毒”微生物和6種關(guān)鍵的“解毒”微生物，并發(fā)現(xiàn)它們的豐度比值可以有效預(yù)測(cè)稻米砷形態(tài)和直穗病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)?；谌?01份土壤樣本宏基因組數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)繪制了稻田直穗病發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的全球分布圖（圖2）。美國(guó)中西部、南歐、日本東北部、中國(guó)東北和長(zhǎng)江三角洲等地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)較高，而我國(guó)南方和東南亞傳統(tǒng)稻區(qū)風(fēng)險(xiǎn)較低。該研究不僅解釋了直穗病為何在某些地區(qū)高發(fā)，也提出了實(shí)用的監(jiān)測(cè)和防控思路。

該項(xiàng)研究由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)戴軍博士、陳川副教授、翟志強(qiáng)博士作為共同第一作者完成，汪鵬教授為通訊作者。趙方杰教授、瑞士聯(lián)邦水產(chǎn)科學(xué)與技術(shù)研究所David Johnson教授與昆士蘭大學(xué)Peter Kopittke教授參與指導(dǎo)。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年基金項(xiàng)目、國(guó)際合作項(xiàng)目等資助。

文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2508311122