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编译：贾蓉  排版：王上

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文章信息

原名：Nitrogen transformations in modern agriculture and the role of biological nitrification inhibition

译名：现代农业中的氮转化和生物硝化抑制作用

期刊：Nature Plants

2019年影响因子：13.256

5年影响因子：14.576

在线发表时间：2017.06.06

第一作者：Devrim Coskun

通讯作者：Herbert J.Kronzucker

herbert.kronzucker@unimelb.edu.au

第一单位：加拿大多伦多大学世界饥饿研究加拿大中心生物科学系

综述亮点

植物根系通过分泌生物硝化抑制剂(BNIs)可以减轻农业氮损失，本文讨论了BNI功能特异性和运输等关键发现，并探讨其在改善农业氮素利用的前景。

文章正文

研究背景

据估计到2050年，为了养活九十亿人口，全球农业产量需要增加70%-100%，这意味着需要工业合成大量肥料。但就目前来说，农业系统氮素利用率低，投入到农业系统活性氮的50%-70%损失到环境中，造成一系列环境问题。这种活性氮的损失是由NH₄⁺到NH₃的去质子化驱动，这一过程受各种硝化反硝化微生物活动影响(如氨氧化细菌AOB、氨氧化古菌AOB、亚硝酸盐氧化细NOB等)，同时也受土壤理化因子影响。

铵肥是农业系统中最常用的氮素形式，在负电的土壤颗粒中，易以氨气的形式损失，另外硝化产生NO₃^-易淋溶损失，同时硝化中间产物NH₂OH氧化释放大量的N₂O，反硝化过程(即NO₃还原为NO₂^-、NO、N₂O和N₂)由相关细菌、古菌和真菌驱动(Fig. 2)，造成N₂O排放。在人为造成全球N₂O排放总量中，农业系统排放达到60%-80%。

Figure 2 | Schematic overview of the fate of nitrogen fertilizers applied to agricultural systems.

对此，几种抑制农业氮肥损失的策略被提出，包括考虑作物需求更精准施肥，改进农田管理措施，使用合成硝化抑制剂(SNIs)抑制硝化过程(Table 1)，提高氮素利用效率(NUE)。但SNIs存在许多缺点和风险，包括应用困难，成本较高，可能会导致污染，进入农产品系统等。从植物根系分泌的功能相似的化合物长期以来一直被认为会影响生物地球化学过程，包括氮循环，但具体的机制及过程仍是未知。随着新技术的出现，重组亚硝化单胞菌生物发光可测定根系分泌物中硝化及其抑制，之后分离鉴定出具有硝化抑制活性的化合物即BNI。

BNI的发展

证据表明BNI广泛存在于许多植物的多种组织中，有研究者提出：BNI可能是推动生态演替的关键机制，可以用来解释顶级生态系统的土壤具有更高的NH₄⁺浓度、更低的NO₃^-浓度和硝化类群。在湿生臂形草根组织中分离出的BNI阿魏酸甲酯、阿魏酸乙酯能有效抑制硝化过程(阿魏酸乙酯IC₅₀=200nM)，而游离阿魏酸没有抑制作用，但这与前人17个试验中表明的结果(游离阿魏酸是很强的硝化抑制剂)完全相反，而且在仅10nM的浓度下，亚硝酸单胞菌完全抑制硝化作用，或许是因为实验方法差距导致的(较早的研究采用土壤悬浮化学分析，而较新研究中使用重组亚硝化单胞菌生物发光测定)，虽然亚硝化单胞菌生物发光的高灵敏度有助于揭示BNI在几个重要植物物种中的分泌，但其对土壤环境的影响是一个需要持续考虑的方面。

2008年，在高粱中报道了第一种直接从根系分泌物中分离出的硝化抑制剂：MHPP(对羟基苯丙酸甲酯)，到目前为止共发现了5种BNI(Fig. 3)。高粱根系分泌物中疏水性和亲水性BNIs的存在表明它们抑制作用在空间上是分离的，具有较少的流动性的疏水化合物在根际中占主导地位，而流动性更大的亲水性化合物能够从根部扩散更远的距离。也有观点指出，生化上不同的BNI可能在土壤过程中存在加性效应或协同效应。另外BNI多样性也可能降低选择抗抑制剂的硝化微生物菌株的可能性。

Figure 3 | BNIs from rootexudates and their enzyme targets.

在水稻、小麦和玉米中关于氮素去向研究较多(Fig.  1)，但关于BNI的报道却较少。在小麦野生种大赖草根系分泌物中发现大量BNI，通过基因手段或许可以将这一特性转移到小麦中，通过对多个小麦品种进行筛选发现目前使用的几种地方品种和两个商业品种在其根系分泌物中均具有显着的BNI活性，但这些BNIs的化学特性尚未确定。在水稻中也陆续发现分泌BNI的品种，尤其是旱稻。目前在玉米中尚未出现有关BNI的报道。

Figure 1 | Nitrogen budgets of the ‘big three’ crops.

BNI功能特异性

BNI是否是植物对硝化环境的特定反应，或是由植物产生的具有其他功能而抑制硝化过程仅是其副作用？事实上，许多从根系分泌物和植物组织中分离出来的BNI发挥着与氮代谢无关的作用。一个典型的例子是亚麻酸，尽管亚麻酸被认为是湿生臂形草中发现的主要BNI化合物，但它也是植物膜脂中发现的最常见的多不饱和脂肪酸之一，包括在某些物种中类囊体脂质部分中占90％以上。高梁中发现的BNI：Sorgoleone，长期以来一直被认为通过与D1蛋白结合抑制与其竞争的植株光合作用。MHPP也被证明对根发育的激素控制有深远的影响。

有一种新观点认为：如果根系是主动释放具有硝化抑制作用的化合物，而不是通过随机过程释放，将更有可能是特异的BNI。有研究指出BNIs在植物组织和根系分泌物中的活性之间缺乏相关性，BNI库之间可能并无耦合。有研究表明BNI特异性或许表现在仅在外部暴露于NH₄⁺的区域根系分泌迅速且明显增加，在高粱中发现这种外部刺激似乎与根细胞中质膜H ⁺ -ATPase的活性和表达以及NH₃同化有关，在水稻中也发现根系分泌物的硝化抑制强度与铵利用效率和铵偏好呈正相关，在高粱中MHPP的产生和分泌都受到外部NH₄⁺的刺激。

BNI释放部位和机制

BNI在几种物种中的释放部位仅限于暴露于NH₄⁺的根系部分，从而确保BNIs渗出到根际硝化作用最大的区域。根系发育也可能在决定根系分泌物的组成方面发挥重要作用，成熟区已被报道是化感物质渗出的主要部位，包括BNIs。

已经提出几种控制BNI在根细胞质膜上流出的分子传输机制(Fig.  4)。1.由于NH₄⁺的存在会刺激BNI释放，并导致短期或长期的膜去极化，因此推测阴离子BNI的渗出是通过电压依赖性阴离子通道。尚不清楚如何将其与质膜 H ⁺ -ATPase表达活性、BNI外排和NH₄⁺供应的相关调控过程。2.简单扩散。3.囊泡运输。

Figure 4| Zonation and mechanisms of BNI root exudation.

BNI的效用和局限性

BNI有望增加农业氮素利用率NUE，早期发现表明BNI可以显著抑制田间硝化和N₂O的排放，并且当分泌BNI的作物与其他作物轮作时，可以提高后续作物产量。从农民的角度来看，BNI通过增加NUE和作物产量，减少氮肥过量使用以及避免SNI的缺点和潜在风险，具有巨大的潜在效益。

然而仍需要开展更基本的工作来了解BNIs，特别是在粮食作物中，包括更好地理解BNI的特异性、生物合成途径、释放部位和机制、BNIs之间的相互作用，以及土壤基质和更大环境的生物和非生物复杂性。

此外，硝化抑制的潜在副作用还有待探索。有研究发现虽然SNI可以有效地减少直接N₂O排放和NO₃^-损失(分别为39-48%和38-56%)，同时也导致NH₃排放(33-67%)的大幅增加。但其具体过程仍有待进一步探究：因为BNI可能从根尖附近的区域释放出来，抑制主要发生在较深的土层中(50厘米深度)，而防止NH₃挥发主要发生在表面层(15厘米深度)。

另外需要考虑的是：增加根系分泌的光合作用碳成本，是否会降低作物产量。一项综合研究估计净光合C的2%-4%以根系分泌物的形式损失(与根际沉积不同)。另外，实验室条件下通常不能真实反映植物在土壤中的情况，目前测定生物硝化抑制的方法应用到田间条件时需要做进一步改进。

结论展望

探索BNIs在氮素利用中的作用机制时，也需要改进多种田间管理措施。理想情况下，未来农业将涉及对土壤氮动态的精确控制，随着土壤微剖面和土壤微生物群的快速基因分型等新技术出现，可以了解在给定的体积内相关微生物群落的变化。此外，应谨慎地进行选择育种和基因改造引入或优化农作物的生物硝化抑制特性，并针对特定的根际过程甚至特定土壤层进行探究。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/nplants201774

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