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为探究高粱分泌生物硝化抑制剂（BNIs）的影响因素，研究人员以玉米为对照，在氨氧化古菌（AOA）主导的砂土和氨氧化细菌（AOB）主导的粉土中，分析不同生育期（苗期、拔节期、花期）的土壤硝化微生物。发现高粱显著降低硝化速率，拔节期 BNIs 分泌最强，AOB 对 BNIs 更敏感。为农业固氮及土壤健康提供依据。
高粱 BNIs 分泌机制及其对土壤硝化微生物的调控：基于土壤类型与生育期的深度解析
在农业生产中，氮肥的大量施用导致土壤酸化、水体污染及温室气体排放等环境问题。硝化作用作为氮素转化的关键环节，将铵态氮转化为硝态氮，加速了氮素流失，降低了肥料利用率。尽管合成硝化抑制剂（NIs）可抑制硝化过程，但存在环境污染和成本高昂的弊端。因此，开发环境友好的生物硝化抑制剂（BNIs）成为农业可持续发展的重要方向。高粱作为少数具备 BNIs 分泌能力的作物，其独特的生态功能备受关注。然而，高粱 BNIs 分泌受土壤类型和生育期影响的机制尚不明确，尤其是对氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）群落结构与功能的调控差异亟待揭示。
为解决上述科学问题，中国研究人员开展了相关研究。该团队选取氨氧化古菌（AOA）主导的砂土（SZ）和氨氧化细菌（AOB）主导的粉土（XY），以玉米为对照，通过盆栽实验探究高粱在苗期、拔节期和花期三个生育阶段分泌 BNIs 对土壤硝化速率、AOA 与 AOB 的 amoA 基因丰度及群落结构的影响。研究成果发表于《Applied Soil Ecology》，为农业固氮和土壤微生物调控提供了新视角。
研究方法
研究采用了多种关键技术：
- 15N 原位稀释法：测定土壤硝化强度，量化氮素转化速率。
- 振荡泥浆法：辅助评估土壤硝化活性。
- 实时定量 PCR：检测 AOA 和 AOB 的 amoA 基因丰度，反映微生物数量。
- 高通量测序：分析 AOA 和 AOB 的群落结构及多样性变化。
实验土壤样本取自中国山西孝义、吕梁（XY 土壤，AOB 主导）和朔州（SZ 土壤，AOA 主导），通过前期 15 种土壤的筛选确定典型土样用于盆栽实验。
研究结果
1. 高粱对土壤硝化速率的影响
与玉米相比，高粱显著降低土壤硝化速率，且在 AOA 主导的砂土中，拔节期和花期的抑制效果尤为显著；在 AOB 主导的粉土中，仅拔节期硝化速率和潜在硝化作用显著下降。表明高粱 BNIs 的硝化抑制效应与土壤类型和生育期密切相关，拔节期可能是 BNIs 分泌的关键时期。
2. 对 AOA 与 AOB 基因丰度的调控
- 砂土（AOA 主导）：高粱在拔节期和花期分别使 AOB 的 amoA 基因丰度降低 38% 和 29%，而对 AOA 的 amoA 基因丰度无显著影响。
- 粉土（AOB 主导）：花期高粱显著降低 AOA 的 amoA 基因丰度，显示 BNIs 对不同微生物类群的抑制具有土壤特异性。
3. 对微生物群落结构的影响
- 砂土：高粱显著改变 AOB 群落结构，降低其丰富度和多样性，尤其减少了 Nitrosospira Cluster 2a.1 的相对丰度。
- 粉土：仅 Nitrosospira Cluster 1 的相对丰度显著下降，表明 AOB 群落对 BNIs 的敏感性高于 AOA，且不同土壤中响应的优势菌群存在差异。
4. 土壤理化性质与 BNIs 分泌关联
高粱 cultivation increased the pH of sandy soil during jointing and flowering stages, possibly due to the buffering effect of BNIs, which may influence the activity and community composition of nitrifying microorganisms.
研究结论与意义
本研究系统揭示了高粱 BNIs 分泌的时空动态及其对土壤硝化微生物的调控机制：
- 生育期效应：拔节期是 BNIs 分泌高峰，抑制硝化作用最强，花期仍维持一定效应，为确定高粱固氮的关键栽培时期提供了依据。
- 土壤类型特异性：AOA 主导的砂土中 BNIs 对 AOB 的抑制更显著，而 AOB 主导的粉土中 AOA 在花期受抑制，表明土壤微生物组成背景决定了 BNIs 的作用靶点，可能与不同菌群对抑制剂的敏感性差异有关。
- 微生物响应机制：AOB 群落结构对 BNIs 更敏感，尤其是 Nitrosospira 属的特定类群，提示 BNIs 可能通过诱导 AOA 与 AOB 的生态位分化来调控硝化过程。
该研究为利用高粱 BNIs 优化农业施肥策略、减少氮素流失提供了理论支撑，有望通过作物选择和轮作模式调控土壤微生物功能，推动低碳农业和可持续土壤管理。未来可进一步探究 BNIs 的具体化学组分及其与微生物互作的分子机制，为定向培育高效固氮作物品种奠定基础。
