土壤反硝化作用是陸地生態(tài)系統(tǒng)中活性氮流失的主要過程之一，不僅降低植物氮素利用效率，還促進(jìn)溫室氣體氧化亞氮(N2O)排放，成為亟需調(diào)控的重要土壤氮循環(huán)過程。長期以來，研究者都認(rèn)為植物根系分泌的代謝物作為可利用碳源會(huì)促進(jìn)土壤反硝化作用，進(jìn)而加劇土壤活性氮流失。僅有相當(dāng)有限的研究報(bào)道了一些植物可以通過根系分泌次生代謝物抑制反硝化，以提高自身氮素獲取效率并降低N2O排放，這種現(xiàn)象被稱為生物反硝化抑制(BDI)。然而，BDI能否作為一種植物緩解根際土壤氮損失的策略在不同植物物種間廣泛存在尚不清楚，不同植物通過根系代謝物驅(qū)動(dòng)BDI的潛在作用機(jī)制尚不明晰。

基于此，為了系統(tǒng)探究不同植物物種根系代謝物對(duì)土壤反硝化的影響，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素組聯(lián)合英國班戈大學(xué)等單位，構(gòu)建了覆蓋100種植物物種的大規(guī)模代謝物收集-土壤培養(yǎng)篩選體系，系統(tǒng)評(píng)估了這些植物對(duì)土壤反硝化潛力、微生物活性及功能基因表達(dá)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，有21種植物根系代謝物可以在短期土壤培養(yǎng)內(nèi)顯著抑制土壤反硝化，其中20種為首次報(bào)道具有BDI潛力。進(jìn)一步的長期土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，BDI植物的根系代謝物可以顯著降低反硝化功能基因(nirK，nirS 和nosZ)豐度，特異性抑制土壤反硝化微生物群落活性并緩解土壤硝酸鹽流失。此外，對(duì)BDI植物根系代謝物的非靶向代謝組學(xué)分析揭示了一系列潛在的BDI活性次生代謝物，特別是一些類黃酮和萜類化合物，在具有強(qiáng)BDI效應(yīng)的菖蒲屬植物(Acorus spp.)中被顯著富集。

該研究首次揭示了植物通過根系代謝物調(diào)控土壤反硝化的廣泛性和多樣性機(jī)制，提出植物可能普遍具有通過抑制反硝化活性來提高自身氮素利用效率的生態(tài)適應(yīng)策略。本研究為開發(fā)基于植物源天然產(chǎn)物的氮素管理策略、提高農(nóng)田氮肥利用效率及減緩N2O排放提供了新的理論基礎(chǔ)和植物材料資源。

研究結(jié)果以“Exploiter no more: root metabolites driving denitrification inhibition from diverse plants”為題發(fā)表在Soil Biology and Biochemistry期刊。中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所-英國班戈大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生李金澄為第一作者，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所吳迪研究員為通訊作者，Roland Bol教授(德國于利希研究中心)、Davey Jones教授(英國班戈大學(xué))、Dave Chadwick教授(英國班戈大學(xué))、巨曉棠教授(海南大學(xué))、孔垂華教授(中國農(nóng)業(yè)大學(xué))，方運(yùn)霆研究員(中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)所)為本研究的共同合作者。該研究得到了國家重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃(2023YFD1500301)和國家自然科學(xué)基金(基金號(hào)：42077037、41907024)等資助。

圖1 具有BDI特性的植物根系代謝物對(duì)土壤反硝化的潛在作用機(jī)制

圖2 100種植物根系代謝物對(duì)土壤反硝化潛勢的影響