砷是一种广泛存在于环境中的有毒类金属元素，其化学形态众多，不同形态砷的生物毒性迥异。淹水还原条件有利于土壤微生物对砷的还原和甲基化，二甲基砷（DMAs）是水稻土及稻米中存在的主要有机砷形态。水稻过量积累DMAs会诱发“直穗病”（又称“旱青立病”），影响水稻结实。该生理病害在我国长江中下游稻区时有发生，尚无有效的防控措施。水稻土中有些微生物可将砷甲基化，另一些微生物可将DMAs脱甲基，构成砷的甲基化与脱甲基循环。南京农业大学资环学院赵方杰教授团队与中国科学院微生物所东秀珠研究员团队前期的合作研究表明，在淹水水稻土中，硫酸盐还原菌等厌氧微生物可将无机三价砷甲基化，产生以DMAs为主的甲基砷化物，而有些产甲烷古菌可将DMAs脱甲基(Chen et al. 2019, ISME J)，但具体哪一类产甲烷古菌介导DMAs脱甲基尚不清楚。
近日，赵方杰与东秀珠团队在The ISME Journal发表了“Methylotrophic methanogens and bacteria synergistically demethylate dimethylarsenate in paddy soil and alleviate rice straighthead disease”文章，发现甲基营养型产甲烷马赛球菌（Methanomassiliicoccus）与细菌共营将DMAs脱甲基，向土壤添加产甲烷马赛球菌与梭菌的共培养液可显著降低水稻对DMAs的积累，有效缓解水稻“直穗病”。
团队首先通过从水稻土中富集不同营养型的产甲烷古菌，发现甲基营养型产甲烷古菌富集培养对DMAs的脱甲基能力较强（图1A），且产甲烷马赛球菌Methanomassiliicoccus和产甲烷八叠球菌Methanosarcina是其中主要的产甲烷古菌（图1B）。随后，从上述甲基营养型富集液中分离得到两株甲基营养型产甲烷古菌MethanomassiliicoccusluminyensisCZDD1和Methanosarcina mazeiCZ1，前者为H2依赖型的甲基营养型产甲烷古菌（图1C）。添加菌株CZDD1显著加速了富集液中DMAs脱甲基过程。相反，添加菌株CZ1抑制了富集液中DMAs的脱甲基过程。进一步研究发现，五价态DMAs [DMAs(V)]需要被还原为三价态DMAs [DMAs(III)]后才能被脱甲基，产甲烷马赛球菌CZDD1可将DMAs(III)脱甲基，而产甲烷八叠球菌CZ1则不能。此外，一些厌氧细菌如梭菌也辅助参与DMAs的脱甲基过程，这些厌氧细菌通过原位发酵产生H2供给马赛产甲烷球菌生长，并且将DMAs(V)还原为DMAs(III)，为产甲烷马赛球菌提供脱甲基底物（图1E）。
图1. 甲基营养型产甲烷古菌富集培养对DMAs脱甲基能力（A）及该富集液中主要的产甲烷古菌组成（B）；从上述富集液中分离的得到的两株甲基营养型产甲烷古菌Methanomassiliicoccus luminyensisCZDD1和Methanosarcina mazei CZ1（C）；添加CZDD1或CZ1对富集液DMAs脱甲基速率的影响（D）。细菌通过产生氢气及还原DMAs(V)协助产甲烷古菌Methanomassiliicoccus luminyensisCZDD1对DMAs(V)脱甲基。
随后，本研究采用一份砷甲基化能力强的水稻土进行盆栽试验，将具有DMAs脱甲基能力的产甲烷马赛球菌CZDD1与梭菌共培养液添加至水稻土中，加速了土壤中DMAs的脱甲基过程，降低了水稻对DMAs的积累，有效缓解了水稻“直穗病”（图2）。本研究进一步比较了6个水稻土和6个旱地土壤在淹水还原条件下对DMAs脱甲基的能力，发现旱地土壤产甲烷古菌丰度较低，对DMAs脱甲基的能力显著低于水稻土。该差异可能是旱改水或水旱轮作耕作方式中容易出现水稻“直穗病”的一个重要原因。
图2. 添加Methanomassiliicoccus luminyensisCZDD1与Clostridium malenominatumCZB5共培养液缓解水稻直穗病。不同处理对水稻颖壳中DMAs含量（A），水稻“直穗病”发病率（B）及水稻结实率（C）的影响。
本研究结果揭示了稻田土壤中DMAs脱甲基的功能微生物及脱甲基途径与机制，并为防控水稻“直穗病”提供理论依据和有效措施。南京农业大学资环学院副教授陈川与中国科学院微生物研究所李凌燕助理研究员为该文章共同第一作者，赵方杰教授与东秀珠研究员为论文通讯作者。本项目研究得到了国家自然科学基金和中央高校基础科研经费的资助。
参考文献：
Chen C, Li L, Huang K, Zhang J, Xie WY, Lu Y, Dong X, Zhao FJ. 2019. Sulfate-reducing bacteria and methanogens are involved in arsenic methylation and demethylation in paddy soils. The ISME Journal13, 2523–2535.