湖南农大团队联合瑞典科学家破解水稻田甲烷排放难题
湖南农大团队联合瑞典科学家破解水稻田甲烷排放难题
甲烷作为世界第二大温室效应气体，其造成的温室效应仅次于二氧化碳，占世界总温室效应的20%。水稻田是全球第四大甲烷排放源，排放量占全球甲烷总排放量的17%。中国已将甲烷排放纳入2060年"碳中和"目标中。
湖南农业大学/岳麓山实验室靳云凯、胡佳等团队成员自2012年开始着手水稻田甲烷排放研究。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，研究团队历时十二年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。整个研究工作分为四个阶段完成，最新成果发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊《分子植物》（Molecular Plant）上。
优化碳源分配理念的提出
在大麦中，HvSUSIBA2基因作为转录因子控制着碳源分配和种子中淀粉的合成。将该基因导入水稻后，更多碳源被运输到水稻茎和种子用于淀粉合成，而运输到根部的碳源减少，从而降低了甲烷排放（Su et al., Nature. 523, 602-606 (2015)）。基于这一发现，研究团队提出了通过优化碳源分配来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导，研究团队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。在这些品系中，光合产物在糖转运蛋白的协助下更多地运输到水稻籽粒中，提高了作物产量，而向根部运输的有机碳源减少，根周微生物包括甲烷菌的食物来源减少，甲烷形成能力降低，最终实现了高产低甲烷的目标。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)）。
证实根分泌物调控甲烷排放
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. 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
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，研究团队以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)）。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
这项研究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导致的环境问题。
相关论文信息
相关论文发表于CellPress细胞出版社旗下期刊《分子植物》（Molecular Plant）。
论文标题：Reducing methane emissions by developing low-fumarate high-ethanol eco-friendly rice
论文网址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1674205225000292
DOI：https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.01.008
本文原文来自澎湃新闻，原文标题为《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稻田甲烷排放"四步曲"》。