水稻根际生物硝化抑制机制：植物性状与分泌物代谢组协同调控及新型化合物NBDA的发现

《The ISME Journal》：Genotypic Variation in Rice Root Exudates Controls Biological Nitrification Inhibition Efficiency in the Rhizosphere

　　

摘要

农业土壤中的硝化作用会导致大量氮肥损失和氧化亚氮（N₂O）排放，特别是在大量施肥的稻田系统中。由植物来源化合物介导的生物硝化抑制（BNI）为减轻这些损失提供了一种有前景的基于自然的策略，但控制BNI潜力的因素仍知之甚少。本研究结合植物生理学、土壤硝化动力学和根际分泌物代谢组学，研究了五个水稻品种的BNI机制。硝化抑制在根际最强，并随着与根系距离的增加而减弱，表明存在空间局部化效应。不同品种间的BNI效率差异显著，且BNI选择性地靶向硝化微生物，对更广泛的微生物群落影响较小。氨氧化古菌（AOA）是这种酸性淹水土壤中主要的硝化微生物，在土壤和加分泌物培养试验中，AOA比氨氧化细菌（AOB）受抑制更明显。然而，BNI优先改变了AOB群落的多样性，而AOA的多样性则相对稳定。植物生理性状（而非根际分泌物代谢组）与BNI效率的关联更为密切。高BNI品种表现出更大的地上生物量、更高的地上氮积累和增加的根际分泌物，其分泌物中N-丁基十二烷-1-胺（NBDA）的相对丰度也更高。代谢组学分析鉴定出一种新型水稻来源的BNI化合物NBDA，该化合物能强烈抑制多种硝化微生物培养物，降低土壤N₂O排放，且对非硝化细菌无可检测的离靶效应。综上所述，本研究证明植物性状和根际分泌物代谢组中BNI活性化合物的丰度共同调控根际BNI效率，为水稻农业生态系统中减轻硝化作用提供了预测性框架。

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