镉胁迫下水稻氮素利用效率的抑制机制：根际硝化抑制与硝酸盐还原促进的双重调控

针对镉(Cd)污染导致稻田氮(N)循环紊乱和水稻氮素利用效率(NUE)下降的问题，研究人员通过多梯度Cd添加田间试验，结合宏基因组学和生物信息学分析，揭示了Cd通过抑制根际硝化基因(amoA/hao)表达、促进异化硝酸盐还原为铵(DNRA)和反硝化途径，降低土壤N供应潜力并损害水稻NUE的机制，为南方红壤区农田Cd污染治理提供理论依据。

　　

在中国南方红壤区，长期污水灌溉、农药化肥滥用及工矿业发展导致农田镉(Cd)污染日益严重。据调查，全国19.4%耕地受重金属污染，其中7%土壤Cd超标，每年产生5.0×10⁷ kg Cd污染稻米。这种污染不仅威胁食品安全，更通过破坏土壤微生物群落结构和氮(N)循环功能，直接影响水稻氮素利用效率(NUE)。然而，现有研究多局限于盆栽试验，缺乏田间实证；关于Cd如何通过调控微生物介导的N转化过程影响水稻N吸收的机制仍不明晰。

针对这一科学问题，中国科学院吉安生态环境科技创新实验基地的研究人员在井冈山农业科技园开展了多梯度Cd添加田间试验。通过土壤化学分析、宏基因组测序和生物信息学方法，系统研究了水稻根际与非根际土壤的养分动态和微生物群落特征。研究发现，Cd胁迫会剂量依赖性地抑制根际硝化过程，同时促进硝酸盐还原途径，最终导致水稻NUE显著下降。相关成果发表在《Journal of Hazardous Materials》上，为理解Cd-N互作机制提供了新视角。

研究采用三大关键技术：1) 田间原位Cd梯度控制试验；2) 根际/非根际土壤理化性质分析(包括Cd_tot、Cd_bio、NH₄⁺-N等)；3) 宏基因组测序结合功能基因(amoA、hao、nirK、nrfA等)丰度计算。

【植物生物量与NUE】

Cd添加显著增加地上生物量(R2=0.10)但降低植株N浓度(R2=0.19)，导致NUE下降23.1-41.3%。尽管总N吸收量增加，但N分配失衡表明Cd干扰了水稻N同化效率(NtUE)。

【Cd对土壤性质与微生物的影响】

根际土壤溶解性有机碳(DOC)、NH₄⁺-N和NO₃^--N随Cd添加减少，而总磷(P)和有效P增加。Cd显著改变微生物α/β多样性，使硝化基因(amoA/hao)丰度降低37.5%，DNRA基因(nrfA)和反硝化基因(nirK/nosZ)分别增加28.6%和19.4%。

【N转化过程调控】

Cd通过双重机制破坏N循环：1) 抑制氨氧化微生物(AOB比AOA更敏感)的硝化作用；2) 促进异化硝酸盐还原为铵(DNRA)途径，导致NH₄⁺积累而NO₃^-减少。根际土壤对Cd的响应灵敏度是非根际的2.1倍。

该研究首次在田间尺度证实，Cd污染会通过重构微生物生态网络，解耦土壤N循环关键过程，最终降低水稻NUE。这一发现为南方红壤区Cd污染农田的微生物调控和N管理提供了重要靶点：可通过调节根际硝化-DNRA功能基因平衡来缓解Cd的负面效应。研究强调，未来农田治理需同时考虑Cd钝化技术和微生物群落定向调控，这对保障粮食安全和生态系统健康具有深远意义。