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挺水植物是湿地生态系统中的活跃组分，对生态与环境功能的发挥影响深远。这类植物通联水、气、固三相界面，植物体内发达的通气组织作为连通沉积物和大气的纽带，一方面可以介导大气中的氧气等进入沉积物，同时促进沉积物中产生的甲烷等温室气体扩散到大气中。而根系甲烷氧化菌对湿地甲烷排放的减少起着重要作用。目前自然湿地挺水植物根系甲烷氧化菌的研究主要在DNA水平的功能多样性，针对具生理活性的转录水平的功能研究以及碳氮耦合方面的研究鲜有报道。本文以北方富营养化的乌梁素海湿地常见三种挺水植物芦苇（Phragmites australis）、藨草（Schoenoplectus triqueter）、狭叶香蒲（Typha angustifolia）为研究对象，首先提取其根系RNA（并反转录为cDNA），在转录水平应用克隆文库、高通量测序及宏转录组测序等技术，对根系功能菌群好氧甲烷氧化菌和固氮菌的群落结构、多样性、优势菌群的丰度等进行研究，获得如下结论：
（1）基于三种植物根系DNA的16S rRNA基因高通量测序结果表明，甲烷氧化和固氮功能菌群在整个根系总细菌群落中占比，分别为0.3-0.8%和0.22-1.85%，但在三种植物根系均有发现，这为后续对功能菌群的转录活性研究提供了前提条件。
（2）通过对比植物根系DNA和cDNA的编码甲烷单加氧酶的功能基因pmoA扩增子测序结果表明，两个水平甲烷氧化菌群落结构差别较大，DNA水平上Ⅰ型甲烷氧化菌Methylomonas在三种植物根系均为优势菌属；而在转录（cDNA）水平上，除芦苇仍以Methylomonas为优势菌外，在藨草根系却以Ⅱ型甲烷氧化菌Methylocystis丰度最高，而这两个优势菌属在狭叶香蒲根系中的丰度相当。
（3）以cDNA为模板的编码固氮还原酶的功能基因nifH构建克隆文库测序结果显示，三种植物根系固氮菌群多样性及组成有所差异，芦苇和藨草以甲烷氧化菌属Methylosinus为优势，而香蒲以根瘤菌属Rhizobium为优势。此外，为了解根系反硝化细菌的生理功能，对反硝化相关功能基因（nirS和nirK）进行PCR扩增，结果发现，nirS基因在三种植物根系中均未扩增出条带，说明其不转录或转录水平极低。nirK基因除在芦苇根系中未扩增出条带外，在香蒲和藨草中都有弱条带，分析nirK基因测序结果，未分类的反硝化菌和Rhizobium属占比较高。
（4）β多样性的分析表明，无论在DNA还是cDNA水平，三种植物根系中的细菌群落、甲烷氧化和固氮功能群落均以植物类型聚为三簇，显示出明显的宿主依赖性，说明不同种类挺水植物通过影响其根系微生境，进而影响其中细菌及功能菌群的种类和分布。
（5）甲烷氧化功能基因pmoA和固氮功能基因nifH的定量PCR结果显示，在转录水平，两类基因拷贝数在三种植物彼此之间均无显著性差异，但相比较而言，在芦苇根系略高。
（6）为了解根系更多碳氮循环功能耦合和转录特性，尝试一种新的方法从芦苇根系总RNA中去除植物mRNA，将去除后的RNA进行宏转录组测序。结果表明，虽然在DNA水平的16S rRNA基因扩增子测序中Methylosinus和Methylomonas的丰度之和低于1%的，但在宏转录组测序中其丰度分别占7.8%和5.3%，而且两者表达的固氮基因（nifH/D/K）约占80%，属于优势固氮菌。说明芦苇根系甲烷氧化菌对固氮作用起主导作用。此外，还检测到产甲烷古菌Methanospirillum的功能基因mcrA/B的转录。因此，在芦苇根系好氧甲烷氧化菌可能利用产甲烷菌产生的甲烷作为碳源进行氧化的同时完成固氮作用，为宿主植物的生存提供更多的氮素营养。
本文利用多组学测序技术在转录水平研究了自然湿地中挺水植物根系碳氮循环功能菌群（甲烷氧化菌和固氮菌等）的生理活性，并发现好氧甲烷氧化菌同时具有甲烷氧化和固氮生理活性，这是继人工湿地中水稻根系固氮甲烷氧化菌报道之后，首次在自然湿地野生挺水植物根系发现甲烷氧化菌对甲烷氧化和固氮起重要作用的研究成果。研究中涉及的三种植物根系均检测到了具有固氮生理活性的甲烷氧化菌，说明其在挺水植物根系中广泛存在。这些长期依赖植物根系微环境生存的功能菌群，与植物宿主形成了相互依存的关系，在保证自己的生长和繁殖的同时也促进了植物的生长。另外在香蒲和藨草根系检测到具有生理活性的反硝化相关功能菌群。这些结果对利用根系功能菌群减少湿地温室气体释放及富营养化提供了微生物学依据。
运用宏转录组测序技术研究根系功能微生物，将原本只针对一种功能的一类微生物研究拓宽成为对整个植物微生物代谢通路的研究，为全面深入了解根系功能菌群及发现功能耦合或互作关系开辟了新的研究方向。
（1）基于三种植物根系DNA的16S rRNA基因高通量测序结果表明，甲烷氧化和固氮功能菌群在整个根系总细菌群落中占比，分别为0.3-0.8%和0.22-1.85%，但在三种植物根系均有发现，这为后续对功能菌群的转录活性研究提供了前提条件。
（2）通过对比植物根系DNA和cDNA的编码甲烷单加氧酶的功能基因pmoA扩增子测序结果表明，两个水平甲烷氧化菌群落结构差别较大，DNA水平上Ⅰ型甲烷氧化菌Methylomonas在三种植物根系均为优势菌属；而在转录（cDNA）水平上，除芦苇仍以Methylomonas为优势菌外，在藨草根系却以Ⅱ型甲烷氧化菌Methylocystis丰度最高，而这两个优势菌属在狭叶香蒲根系中的丰度相当。
（3）以cDNA为模板的编码固氮还原酶的功能基因nifH构建克隆文库测序结果显示，三种植物根系固氮菌群多样性及组成有所差异，芦苇和藨草以甲烷氧化菌属Methylosinus为优势，而香蒲以根瘤菌属Rhizobium为优势。此外，为了解根系反硝化细菌的生理功能，对反硝化相关功能基因（nirS和nirK）进行PCR扩增，结果发现，nirS基因在三种植物根系中均未扩增出条带，说明其不转录或转录水平极低。nirK基因除在芦苇根系中未扩增出条带外，在香蒲和藨草中都有弱条带，分析nirK基因测序结果，未分类的反硝化菌和Rhizobium属占比较高。
（4）β多样性的分析表明，无论在DNA还是cDNA水平，三种植物根系中的细菌群落、甲烷氧化和固氮功能群落均以植物类型聚为三簇，显示出明显的宿主依赖性，说明不同种类挺水植物通过影响其根系微生境，进而影响其中细菌及功能菌群的种类和分布。
（5）甲烷氧化功能基因pmoA和固氮功能基因nifH的定量PCR结果显示，在转录水平，两类基因拷贝数在三种植物彼此之间均无显著性差异，但相比较而言，在芦苇根系略高。
（6）为了解根系更多碳氮循环功能耦合和转录特性，尝试一种新的方法从芦苇根系总RNA中去除植物mRNA，将去除后的RNA进行宏转录组测序。结果表明，虽然在DNA水平的16S rRNA基因扩增子测序中Methylosinus和Methylomonas的丰度之和低于1%的，但在宏转录组测序中其丰度分别占7.8%和5.3%，而且两者表达的固氮基因（nifH/D/K）约占80%，属于优势固氮菌。说明芦苇根系甲烷氧化菌对固氮作用起主导作用。此外，还检测到产甲烷古菌Methanospirillum的功能基因mcrA/B的转录。因此，在芦苇根系好氧甲烷氧化菌可能利用产甲烷菌产生的甲烷作为碳源进行氧化的同时完成固氮作用，为宿主植物的生存提供更多的氮素营养。
本文利用多组学测序技术在转录水平研究了自然湿地中挺水植物根系碳氮循环功能菌群（甲烷氧化菌和固氮菌等）的生理活性，并发现好氧甲烷氧化菌同时具有甲烷氧化和固氮生理活性，这是继人工湿地中水稻根系固氮甲烷氧化菌报道之后，首次在自然湿地野生挺水植物根系发现甲烷氧化菌对甲烷氧化和固氮起重要作用的研究成果。研究中涉及的三种植物根系均检测到了具有固氮生理活性的甲烷氧化菌，说明其在挺水植物根系中广泛存在。这些长期依赖植物根系微环境生存的功能菌群，与植物宿主形成了相互依存的关系，在保证自己的生长和繁殖的同时也促进了植物的生长。另外在香蒲和藨草根系检测到具有生理活性的反硝化相关功能菌群。这些结果对利用根系功能菌群减少湿地温室气体释放及富营养化提供了微生物学依据。
运用宏转录组测序技术研究根系功能微生物，将原本只针对一种功能的一类微生物研究拓宽成为对整个植物微生物代谢通路的研究，为全面深入了解根系功能菌群及发现功能耦合或互作关系开辟了新的研究方向。