利用微生物组相关表型探索氮素可持续性

为解决农业氮素利用的环境问题，研究人员探索微生物组相关表型（MAPs），发现其可助力氮素获取与留存，意义重大。

　　在农业发展的长河中，20 世纪的绿色革命无疑是一座重要的里程碑。它凭借着化肥的大量使用、高产作物品种的培育以及机械化的推广，让全球农作物产量实现了飞跃式增长，成功养活了数十亿人口。然而，这场革命也带来了诸多棘手的问题。其中，过度依赖工业氮肥就是一个突出的难题。工业氮肥的广泛使用，使得活性氮大量释放到环境中，超出了地球生态系统的承载极限，对全球生物地球化学循环造成了严重干扰。大量的氮素通过挥发、淋溶等途径流失，不仅污染了空气和水体，还导致了温室气体排放增加，加剧了气候变化。例如，一氧化二氮（N₂O）作为一种强效温室气体，其产生就与氮肥的使用密切相关，它的温室效应是二氧化碳的约 300 倍。同时，氮肥的低效利用也使得农业生产成本居高不下，对农业的可持续发展构成了巨大挑战。

在这样的背景下，美国伊利诺伊大学等机构的研究人员开展了关于微生物组相关表型（MAPs）在农业氮素可持续性方面的研究。研究表明，MAPs 在植物氮素获取和留存过程中发挥着至关重要的作用，有望为解决当前农业面临的氮素问题提供新的思路和方法。该研究成果发表在《TRENDS IN Plant Science》上。

研究人员在研究过程中，运用了多种关键技术方法。在基因分析方面，借助基因组编辑技术如 CRISPR/Cas 系统，对植物基因进行调控和编辑，以探究基因变化对微生物组相关表型的影响；通过全基因组关联研究（GWAS），分析植物基因型与微生物组特征之间的关系。在微生物研究方面，采用高通量测序技术，对植物不同部位（如根际、内生菌等）的微生物群落进行测序和分析，了解微生物的种类、丰度和功能。同时，通过田间试验和盆栽实验，观察不同处理条件下植物的生长状况、氮素吸收和利用效率等指标。

探索 MAPs 用于氮素获取和留存

1. 生物固氮（BNF）是获取氮素的关键 MAPs：在自然生态系统中，生物固氮是氮素的重要来源。研究发现，一些作物品种具备独特的生物固氮相关 MAPs。例如，玉米地方品种 olotón 的气生根能释放多糖，吸引并固定联合固氮菌，这些固氮菌可将空气中的氮气转化为植物可利用的氮源，其同化氮的 25% - 80% 来源于此。高粱等作物也存在类似现象。在非豆科植物中，联合固氮菌还分布于内生菌和叶际等部位，对植物氮素积累有重要贡献。在豆科植物中，根际分泌的黄酮类化合物可与固氮菌相互作用，促进根瘤的形成和固氮作用。此外，通过基因编辑调控植物黄酮合成，能增强根际生物固氮，提高作物产量。
2. MAPs 能否用于改善氮素留存，减少环境氮素损失？：硝化作用是农业生态系统中氮素损失的重要途径之一，会产生氧化亚氮等温室气体，并导致硝酸盐淋溶。生物硝化抑制（BNI）是一种植物可抑制硝化微生物活性的特性，能减缓铵态氮向硝态氮的转化，增加土壤中铵态氮的留存，从而提高植物对氮素的利用效率。目前，BNI 已在多种禾本科作物中被发现，并通过育种手段引入到小麦、玉米等作物中。然而，其在不同环境条件下的效果存在差异，需要综合考虑土壤、气候等因素，以避免可能出现的氨气挥发等负面效应。反硝化作用同样会造成氮素损失，释放氧化亚氮等温室气体。一些植物可通过黄酮类化合物抑制反硝化微生物的活性，减少氮素损失，这种现象被称为生物反硝化抑制（BDI）。但在依赖地下排水的农业系统中，BDI 可能会增加硝酸盐的淋失风险，因此需要进一步研究其在不同农业场景中的适用性。
3. 其他显著的氮素获取 / 留存 MAPs 以实现氮素可持续性最大化：丛枝菌根真菌（AMF）与约 80% 的陆地植物形成共生关系，可帮助植物吸收水分和矿质营养，在氮素循环中也发挥着重要作用。根际黄酮类化合物能刺激 AMF 的孢子萌发和菌丝分支。然而，农业管理措施（如耕作、施肥）会破坏 AMF 的定植和多样性。通过优化农业管理，如采用有机施肥、种植覆盖作物等方式，可促进 AMF 的生长和定植，提高植物对氮素的吸收效率。土壤微生物通过氮矿化作用将有机氮转化为矿质氮，为植物提供可利用的氮源。一些内生真菌和细菌可通过影响土壤分解过程和植物根系发育，促进氮矿化和植物氮素吸收。但氮矿化过程与土壤碳氮平衡密切相关，需要合理管理，以避免土壤碳氮损失和环境问题。

研究结论与意义

研究表明，微生物组相关表型（MAPs）在植物氮素获取和留存方面具有巨大潜力。通过将 MAPs 整合到作物育种和管理中，有望减少农业对工业氮肥的依赖，降低环境氮素污染，实现农业的可持续发展。然而，目前仍面临诸多挑战，如 MAPs 的田间表型鉴定困难、对其遗传机制和生态适应性的理解不足等。此外，在利用 MAPs 的过程中，还需要充分考虑经济和政治因素，保护植物遗传资源和生物文化多样性，确保可持续农业发展的公平性和可行性。未来，需要多学科交叉合作，综合运用基因组学、生态学、农学等知识，深入研究 MAPs 的作用机制和应用潜力，为全球农业的可持续发展提供有力支持。