将代谢组学和宏基因组学相结合，揭示了水稻根系分泌物在抑制沿海盐碱土壤中硝化作用方面的潜在机制

《Environmental Research》：Integrating metabolomics and metagenomics reveals potential mechanism of rice root exudates in inhibiting nitrification in coastal saline soils

水稻品种间根部分泌物抑制沿海盐土硝化的机制研究|代谢组学与宏基因组学|异养硝化抑制|硝酸盐还原基因丰度|氮素管理优化

　　

Jihui Jiang|Jiafeng Wei|Bin Zhang|Yinglong Chen|Jinjun Wang|Yang Zhang|Jian Hu|Qigen Dai

扬州大学环境科学与工程学院，中国扬州225127

摘要

已知水稻根系分泌物能够抑制农业土壤中的硝化作用并减少氮素流失；然而，它们在沿海盐碱土中的具体作用仍不明确。本研究通过水培系统，在移栽后6周和10周收集了两个基因型（Oryza sativa L. ‘Nanjing 9108’和‘Yangjing 5118’）的根系分泌物，并通过整合代谢组学和宏基因组学的微宇宙实验研究了这些分泌物对沿海盐碱土中硝化作用的影响。根系分泌物抑制了净硝化速率（NNR）和潜在硝化活性（PNA），其抑制效果主要取决于基因型。硝化相关基因的丰度并未因根系分泌物而显著改变，并且与PNA呈负相关，这表明根系分泌物主要抑制异养硝化而非自养硝化。移栽后10周的根系分泌物显著增加了硝酸盐还原基因的丰度。综合分析显示，以萜类化合物和脂质为主的差异代谢物，以及一些在代谢过程中产生还原电子的分泌物（如L-异亮氨酸、L-缬氨酸和吡哆醇），与PNA呈负相关，与硝酸盐还原基因的丰度呈正相关。此外，NNR抑制机制因基因型而异。具体而言，Nanjing 9108的根系分泌物通过抑制异养硝化和促进硝酸盐还原来协同抑制NNR，而Yangjing 5118的根系分泌物主要通过抑制异养硝化来抑制NNR。总体而言，根系分泌物通过创造微生境和生成还原剂来增强硝酸盐还原和/或降低PNA，从而抑制沿海盐碱土中的硝酸盐积累。这些发现为制定沿海盐碱稻田的氮素管理措施提供了科学依据。

引言

盐碱化是农业生产的主要限制因素，对全球粮食安全构成严重威胁（Monteiro等人，2024年）。目前，全球近20%的耕地受到盐碱化的影响，且这一趋势每年都在加剧（Xiao等人，2025年）。在中国，沿海地区广泛分布着盐碱土。这些土壤既是重要的耕地储备，也是粮食生产的潜在基地（Li等人，2025年）。由于水层可以有效抑制和淋溶盐分，水稻种植被认为是改善和利用沿海盐碱土的有效方法（Xu等人，2025年）。然而，在沿海盐碱土中种植水稻面临诸多挑战，包括氮素利用效率低和氮素污染严重——这些问题很大程度上归因于沿海盐碱土的固有特性，如低盐度、微碱性和较差的结构（Wang等人，2026年；Wang等人，2023b年）。因此，在提高氮素利用效率的同时减少氮素污染已成为沿海盐碱土中可持续种植水稻的关键目标。

硝化作用——即微生物将容易被土壤吸附和保留的铵离子（NH₄⁺）氧化为高活性和反应性的硝酸根离子（NO₃^-）——不仅增加了氮素污染的风险，还降低了氮素利用效率（Subbarao和Searchinger，2021年）。先前的研究表明，适当的pH值（pH < 10）和低于阈值的盐分含量（盐度 < 5–10‰或电导率_1:5 < 1.13 dS/m）有利于土壤硝化作用（Li等人，2020年；Wang等人，2019年；Zeng等人，2013年；Zhou等人，2016年）。这意味着盐度低和微碱性的沿海盐碱土可能具有较高的硝化活性（Tao等人，2024年）。因此，抑制硝化作用可能是提高沿海盐碱稻田氮素利用效率和减少氮素污染的有效策略。据报道，水稻根系分泌物可以抑制硝化作用并促进NH₄⁺的利用（Pariasca Tanaka等人，2010年；Sun等人，2016年）。近年来，人们对水稻根系分泌物抑制土壤硝化作用的理解取得了显著进展。Lu等人（2022a）和Lu等人（2019）发现，来自水稻的硝化抑制剂（如1,9-癸二醇和丁香酸）在酸性红土、中性稻田土和碱性冲积土中对硝化作用的抑制效果与土壤pH值呈负相关。Illarze等人（2021）进一步证明，根系分泌物在有机质含量低的土壤中比在有机质含量高的土壤中更有效地抑制硝化作用。这些结果表明，土壤pH值和肥力水平等单一因素可以显著影响根系分泌物的硝化抑制效果，高pH值和高肥力会降低其抑制效果。沿海盐碱土是一种复杂且具有压力的环境，其特征是盐度低、微碱性和肥力差。然而，水稻根系分泌物在这些条件共同作用下的影响仍不明确。

硝酸根离子（NO₃^-）的积累直接来源于硝化作用和硝酸根离子还原过程，包括反硝化（Den）、同化性硝酸根离子还原为铵离子[ANRN]和异化性硝酸根离子还原为铵离子[DNRN]。以往研究主要关注氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）在根系分泌物抑制硝化作用中的作用。关于微生物丰度的研究结果不一：一些研究表明有抑制作用（Chen等人，2022年；Lu等人，2022a；Lu等人，2019年），而另一些研究则未发现显著效果（Illarze等人，2021年）。值得注意的是，关于森林树木的研究表明，根系分泌物可以通过抑制亚硝酸盐氧化细菌来抑制硝化作用（Laffite等人，2020年）。此外，根系来源的碳可以通过DNRN促进硝酸根离子的消耗（Zhu等人，2021年），并增强异养微生物对铵离子的竞争性吸收（Leptin等人，2021年；Zhu等人，2021年），从而减少土壤中的硝酸根离子积累。因此，仅关注氨氧化过程（如AOA和AOB）可能无法完全阐明水稻根系分泌物抑制土壤硝化的微生物机制。

基于以上观点，本研究收集了两个基因型（Oryza sativa L. ‘Nanjing 9108’和‘Yangjing 5118’）的根系分泌物，其中Nanjing 9108对沿海盐碱土具有很强的适应性，在江苏省的沿海滩涂稻田中广泛种植（Wei等人，2020年）。根系分泌物在移栽后6周和10周通过水培系统收集，并应用于沿海盐碱土的微宇宙实验中，以评估其对土壤净硝化速率（NNR）和潜在硝化活性（PNA）的影响。此外，还进行了整合代谢组学和宏基因组学分析以阐明潜在的微生物机制。本研究的具体目标是：（1）评估水稻根系分泌物对沿海盐碱土中NNR和PNA的影响；（2）阐明根系分泌物影响土壤硝化的微生物过程。

实验部分

水稻生长条件

实验中使用了两个水稻基因型（Oryza sativa L. ‘Nanjing 9108’和‘Yangjing 5118’）。选择了健康、生长均匀、处于三叶一心期的幼苗。用去离子水冲洗根部以去除附着的物质。然后将幼苗包裹在无菌海绵中，移植到直径为3厘米、间距为10厘米的种植孔中，种植板放置在长度为60厘米、宽度为40厘米的培养箱中。

根系分泌物特征

为了确定根系分泌物的组成，我们对从水培系统中收集的根系分泌物进行了LC-MS分析。在所有根系分泌物样本中鉴定出了1,992种化合物。根系分泌物主要由脂质、萜类化合物、氨基酸及其衍生物、有机酸及其衍生物、类固醇及其衍生物以及酚酸及其衍生物组成（图1a）。根据峰面积的相对丰度，脂质、萜类化合物、胺类等成分占主要部分。

讨论

由于盐度低和微碱性，沿海盐碱土中的硝化作用通常非常活跃（Tao等人，2024年），这增加了硝酸根离子淋溶和一氧化二氮排放的风险。通过根系分泌物抑制硝化作用是一种潜在的氮素管理策略（Coskun等人，2017年）；然而，这一过程在沿海盐碱土中的具体效果和机制仍不明确。为此，我们进行了微宇宙实验。

结论

本研究表明，水稻根系分泌物能够抑制NNR和PNA，其抑制效果主要取决于基因型。根系分泌物对硝化的抑制主要通过抑制异养硝化而非自养硝化来实现。同时，根系分泌物增加了与硝酸根离子还原相关的基因的丰度。这种效应主要归因于疏水性代谢物（如萜类化合物和脂质）形成的微生境。

CRediT作者贡献声明

Qigen Dai： 资金获取、概念构思。Jian Hu： 概念构思。Jihui Jiang： 初稿撰写、可视化、数据分析。Jiafeng Wei： 初稿撰写。Yinglong Chen： 审稿与编辑。Bin Zhang： 实验研究、数据管理。Yang Zhang： 审稿与编辑、资金获取、数据分析、概念构思。Jinjun Wang： 审稿与编辑

利益冲突声明

所有作者声明没有财务或非财务利益冲突。

数据获取

本研究的支持数据可在论文及其补充信息中找到。本文报告的原始序列数据已存入中国国家生物信息中心的基因组序列档案（访问号PRJCA046192）。本文报告的代谢组数据已存入中国国家生物信息中心的OMIX数据库（访问号OMIX 012667）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42307443）、江苏省农业科技创新基金（CX(23)1020）以及扬州大学的研究生研究与实践创新资助计划（编号KYCX24_3777）的支持。