北京大學陸雅海教授

『壹』 陸雅海的代表性成果

長期以來在水稻土微生物學和碳素轉化領域開展了一系列研究，主要學術成績是：建立了研究土壤微生物結構和功能的穩定同位素探針技術, 解決了長期以來難以對土壤微生物進行原位研究的技術難題；發現一組未培養古菌在水田甲烷生產中的重要作用；揭示水稻光合同化碳被土壤微生物快速利用的現 象；量化了水稻光合同化碳在地上和地下部的分配規律。共發表SCI論文15篇，其中第一作者12篇；2001年以來發表SCI論文8篇，第一作者7篇，1 篇發表在美國《Science》雜志，2001年以來被SCI總引用117次，他引97次。
（一）土壤微生物研究方法取得突破
土壤微生物是土壤最活躍的成分，但長期以來土壤微生物常常被看作是一個「黑匣子」，缺乏有效研究方法是對土壤微生物深入研究的主要障礙。我們以穩定同位素示蹤技術為主要研究手段，結合環境微生物研究技術的最新進展，在水稻根際微生物研究方法上取得了突破性進展。
自上世紀90年代以來，通過用16S rRNA基因等分子生物技術手段，土壤微生物學家發現土壤中99%以上微生物難以用傳統分離培養方法研究，因此，對土壤微生物的研究十分依賴於研究方法的 創新。2000年英國學者在《Nature》首次報道了用DNA指紋分析與穩定同位素示蹤技術相結合的方法研究土壤甲基氧化細菌，該方法成為原位連接土壤 微生物種群結構和功能的有力工具。但該方法自面世以來基本都只在實驗室進行穩定同位素的富集標記，缺乏真正的「原位研究」意義，它們在原位應用碰到的最大 困難是同位素稀釋和微生物種群之間的交叉標記。我們針對上述困難進行了一系列技術改進，通過增加脈沖標記次數解決了同位素標記不足的問題，通過設立平行的 非標記處理以效正交叉標記的影響，最終在「水稻－土壤－微生物」原位系統取得突破（圖1）。研究結果發表在美國《Science》雜志後得到了國際同行的 廣泛關注和高度評價，美國微生物科學院理事（Fellow of the American Academy of Microbiology）、歐盟微生物學會雜志《FEMS Microbiology Ecology》主編 Prosser教授指出：「學術界過去對『植物－土壤微生物』的相互作用進行了大量研究，但主要問題沒有解決，現在，穩定同位素探針技術提供了解決這些問 題的途徑」。德國馬普學會的Friedrich教授也指出「Lu和Conrad跟蹤了植物光合碳進入水稻根際產甲烷古菌的過程，是一項完美的RNA穩定同 位素探針研究」。
（二）發現一組尚未培養的新古菌在水田甲烷生產中重要作用
通過用RNA穩定同位素探針技術，我們發現水稻光合同化碳通過 根系分泌作用很快進入土壤，並使一組未培養古菌（暫名為RC-I）獲得顯著13C標記，研究揭示了這類古菌在水稻根際碳轉化和甲烷生產中的關鍵作用。為進 一步理解RC-I古菌的生理生態特性，我們又用DNA穩定同位素探針技術研究了根表面的古菌活性對H2濃度的響應，結果證實RC-I古菌在水稻根際的 CO2還原和甲烷生產過程中起主要作用，並且在自然的低H2條件下特別活躍。RC-I古菌是一類尚未分離培養的產甲烷古菌，自1998年最早在義大利水稻 土被發現後，已經在全球各地的水稻土、泥炭土、湖泊沉積物和污染水體等環境中被檢測到，其廣泛分布性暗示它們在全球碳轉化過程中可能起重要作用。但因為 RC-I古菌非常難以分離培養，至今學術界對這類新古菌區系的生理生態特性的理解非常有限。我們分別用RNA和DNA穩定同位素探針技術在原位條件下，發 現了它們在水稻根際的產甲烷功能和生理生態特性。研究結果發表在《Science》和《Environmental Microbiology》後，引起了國際學術界的廣泛關注和評論。馬普學會的Friedrich教授指出：「活躍於厭氧環境的產甲烷古菌目前還非常難以 分離和培養，Lu等（2005）用DNA穩定同位素探針技術發現RC-I古菌在自然的低氫濃度下特別活躍，用RNA穩定同位素探針技術，他們進一步證實在 水稻根際原位環境中，RC-I古菌在利用植物來源性碳生成甲烷的過程中起了主要作用，這些關於RC-I古菌的生態生理特性的重要發現為將來分離培養它們提 供了重要線索」。英國Whiteley教授評論指出：「通過對水稻進行13C-CO2脈沖標記，Lu和Conrad（2005）證明目前尚未培養的RC- I古菌能利用最新的水稻光合產物。該工作堪稱是一項理想巧妙的RNA穩定同位素研究，其重要價值在於指出了RC-I古菌可能在全球甲烷排放中起重要作用 」。Prosser教授指出：「Lu和Conrad（2005）用RNA穩定同位素探針技術在水稻根際發現RC-I古菌的產甲烷功能後，又用DNA穩定同 位素探針技術在離體水稻根系辨別了不同生理型的產甲烷古菌區系，這項研究證明了穩定同位素探針技術在原位研究不同生理特性微生物區系的功能上具有很大潛力 」。
（三）發現革蘭陰性細菌和革蘭陽性的梭菌簇在水稻根際碳循環中的重要作用
磷酯脂肪酸（PLFA）分析技術是研究土壤微生物種群多樣性 的有效手段之一。我們用該方法測定了水稻光合同化碳被不同土壤微生物種群利用的規律（Lu等2004a）。水稻植株經13CO2脈沖標記後，提取根際土壤7,w7, 18:1w樣品，用高精確度的GC-C-IRMS系統定量分析13C標記的磷酯脂肪酸指紋圖譜。結果發現直鏈單不飽和脂肪酸（16:1 9）受到13C顯著標記，這類脂肪酸代表革蘭陰性細菌和革蘭陽性的梭菌簇（Clostridia），表明這兩類細菌在水稻根際碳循環中起主要作18:1 用。英國Evershed教授撰文指出：「Lu等（2004a）的研究提供了植物與微生物相互作用的有力證據，並清楚展示了13C標記方法在植物與土壤微 生物相互作用研究領域的應用前景」。
（四）量化了水稻光合同化碳對土壤微生物量的貢獻
用穩定同位素示蹤技術結合微生物量測定的經典方法 （氯仿熏蒸法），我們定量分析了水稻光合同化碳對土壤微生物量的貢獻（Lu等2002a），結果發現光合產物向土壤微生物量快速轉移的現象，並發現水稻種 植一季後植物對微生物量的貢獻約占總微生物量的三分之一。該研究證明了土壤微生物活動與植物光合作用的緊密關系，為量化水稻土微生物量的動態變化提供了理 論基礎。
（五）揭示了水稻光合同化碳在地上與地下不同碳庫的分配規律
植物光合同化碳在地上－地下部的分配規律是理解地上與地下（土壤）生 命相互作用的關鍵，通過對國際上常用的同位素連續標記法和脈沖標記法進行整合改進，發現水稻向土壤輸入的光合產物隨植物生長而減少（Lu等2002b）， 但水稻光合同化碳對土壤水溶性有機碳和微生物量的貢獻在水稻生長中期出現最大值 (Lu等2002a, 2004b)。該研究為全面理解水稻光合同化碳在「植物－土壤」系統不同碳庫的循環轉化提供了理論基礎。
（六）發現水稻根際活躍的甲烷氧化菌
用穩定同位素探針技術首次在田間條件下研究了氮肥對水稻根際甲烷氧化菌群落和功能的影響，發現I型甲烷氧化菌在水稻根際起主要作用，其甲烷氧化功能不受氮肥使用的影響（Qiu等2008）。
（七）揭示了水稻植物殘體降解過程中產甲烷古菌的動態變化及關鍵調控因子
在厭氧培養條件下，詳細比較了秸稈和根系殘體的降解過程，用克隆、測序和T-RFLP指紋分析技術研究了降解過程中產甲烷古菌的動態變化以及培養溫度的影 響，發現培養體系中產甲烷古菌的主要底物H2和乙酸濃度是調控產甲烷古菌群落結構的關鍵因子；從理論上揭示了產甲烷古菌在田間條件下動態變化的機理 （Peng等2008）。