【原】綜述 | Functional Ecology：植物視角的根際氮循環

編譯：木猴，編輯：小菌菌、江舜堯。

原創微文，歡迎轉發轉載。

1 植物能夠利用哪些氮素型態

了解植物如何影響微生物氮的轉化以改善其營養，需要了解植物可以吸收的不同N形態，以及這些化合物在土壤中的有效性和植物屬性如何影響其吸收（圖1）。土壤中的可溶性氮在空間和時間上變化很大，大多數植物在利用任何形式的短暫的微尺度斑塊的氮素時似乎都具有很高的機會。植物吸收的無機形式的氮通常是硝酸鹽和銨鹽。硝酸鹽的吸收是一個主動耗能的過程，因為必須逆著電化學梯度進行吸收。因此，它的能量效率通常不如銨的吸收，后者可以是主動的也可以是被動的，具體取決于土壤中的銨濃度。硝酸鹽同化在能量消耗上也很昂貴，因為需要將硝酸鹽初步還原成銨，而吸收的銨可以直接同化以合成氨基酸和其他有機化合物。另一方面，由于硝酸鹽不與土壤中的陽離子交換復合物結合，因此硝酸鹽在土壤中的流動性高于銨，通常可被植物更多的吸收。

圖1 植物吸收氮素形態的影響因子

植物也被證明吸收不同的有機氮，因為繞過了同化過程，耗能較少。植物可以吸收利用各種有機氮，范圍從簡單的低分子量化合物（例如氨基酸，寡肽，核苷酸，尿素）到更復雜的聚合物部分（例如蛋白質）。在高外源濃度（> 1 mM），可溶性有機氮可以通過被動擴散進入根部。但是，跨膜運輸通常是由H +-ATPase激活的活性轉運蛋白家族驅動的，該蛋白家族的基因無論土壤氮供應的水平如何，都可以高水平地表達。這些高親和力轉運蛋白能夠將外部溶質濃度消耗至nM水平，同時將細胞質濃度保持在mM水平，證明了這些N捕獲系統的效率。在整個質膜上保持這種較大的濃度梯度的負面結果是，有機氮從根部通過根際分泌物不斷地被動流回質體和土壤。這導致人們推測，從根外部吸收有機氮與獲取新的土壤來源的氮無關，而是提供了一種從植物中捕獲氮的機制，以防止根際微生物過度繁殖。或者，這些轉運蛋白的表達可能與促進植物生長的微生物與根（例如寡肽）之間交換信號分子有關，或與其環境的根的衰老（例如營養更新熱點）有關。

盡管有大量證據表明根部可以吸收有機氮，但這種氮獲取途徑的生態意義仍然存在爭議。土壤溶液包含成千上萬種的有機N化合物。但是，其中大多數被認為是由微生物分解腐殖質的副產物組成，植物無法利用。此外，未在植物代謝中廣泛使用但在土壤中常見的簡單化合物也可能不會被根部吸收（例如，葡糖胺，一種真菌細胞壁幾丁質的潛在分解產物）。許多其他化合物以非常低的濃度（<1 μM）存在，這可能暗示它們對植物氮素營養的意義有限，因為它們接近凈流入-流出平衡點。然而，關鍵不是它們在土壤溶液中的濃度，而是它們的補給率和在土壤交換階段存在的潛在儲量。例如，據估計在所有生態系統中土壤溶液的氨基酸庫都保持在低濃度（約20 μM），但每天要補充1000多次。該循環速率可以比土壤中NH4 +和NO-3的產生速率快幾個數量級。

盡管在植物吸收不同形態氮素方面的認識已取得了重大進展，但很少有研究調查非生物和生物因子如何差異地調節這些氮的吸收。未來，獲得更詳細的信息對于農業中尤其是有機系統（不使用無機氮輸入）中植物對有機氮和礦質氮源的相對重要性至關重要，這是為了更好地利用微生物過程減少化學肥料投入。此外，更好地理解這些眾多因素的，尤其是它們的組合效應，可能有助于增進對植物與微生物相互作用的了解，無論是在競爭方面還是在合作方面。與幾乎所有以前的研究不同，這些植物對氮的吸收實驗的設計方式應使結果不受實驗條件的影響。

2 植物通過共生和多營養級交互作用重組微生物群落獲取氮素

2.1 真菌

絕大多數陸生植物進化出與不同的真菌和細菌形成共生體的能力，涉及共生伴侶在特定根結構內的物理整合。植物共生的最古老和最廣泛的形式（涉及現存物種的70％至90％）涉及屬于球囊菌門的叢枝菌根（AM）真菌，被認為起源于4.6億年前。高達20％的光合作用碳可以分配給真菌菌絲體，每立方厘米土壤最多可形成100 m菌絲，并且能夠進入植物根系無法進入的土壤孔隙。關于AM真菌僅有助于其宿主植物吸收磷的觀點最近發生了變化，現在有證據表明AM真菌不僅吸收硝酸鹽，銨和有機氮，而且還將N轉移到植物中。有研究已經表明，真菌共生體對氮的吸收和向根的運輸受到宿主植物跨菌根界面的碳供應的刺激。

與AM真菌相反，外生菌根和類歐石楠菌根真菌會產生降解酶，這些酶可分解或多或少地分解含有N聚合物的頑固有機化合物。外生菌根菌絲體會吸收和同化銨，而外生菌根菌絲內的氮轉運以氨基酸形式進行，這已在不同的外生菌根菌種中證實了。有研究表明，通過外生菌根菌絲體選擇性地將植物來源的C分配給枯枝落葉層有機質的離散斑塊，同時從有機質中消耗N并轉移至菌根宿主植物。外生菌根真菌被認為是從腐生菌祖先反復且獨立地進化的，但是與它們的腐化祖先相比，它們水解纖維素和其他植物細胞壁成分的遺傳潛力已經減弱。但是，某些外生菌根真菌譜系似乎保留了產生木質素和其他生物分解所必需的II類過氧化物酶（與木材中難分解的多酚類化合物降解和腐爛的白腐真菌有關）的遺傳潛力，這些過氧化物酶對木質素和其他富含酚類大分子的物質的分解是必須的，其他物種似乎保留了褐腐真菌中存在的許多氧化分解機制。因此，一些外生菌根真菌可能在難分解腐殖質化合物的N轉移中起核心作用 。但是，宿主直接供應糖類意味著它們不依賴有機物質作為代謝C的來源。復雜的，難分解的有機底物的代謝降解，傾向于通過宿主驅動的糖類來供應菌根菌絲，以促進N釋放，與下面討論的有關根分泌物釋放到根際中的激發作用有關。但是，基于氧化酶和水解酶的不同組合以及非酶促芬頓化學反應，使用不同的分解機制將碳（C）直接分配給外生菌根真菌，可以從多種有機底物中高效提取N。由于碳的分配是直接的，并且可以由植物控制，因此可以說該過程比根際激發更有效。另外，由于真菌菌絲的廣泛生長，營養物質可從與根在空間上分開的基質中獲取，而不會與其他根際消費者競爭。最近的工作表明，一些非菌根真菌也可以將N轉移到植物上。因此，植物可以通過與土壤桿菌屬的內生結構從土壤昆蟲中獲取N，后者是普遍存在于土壤中的昆蟲病原真菌。源自昆蟲的氮最多占植物氮含量的48％，并且這種轉移過程是由C從植物根部到真菌菌絲體的相互分配而驅動的。此外，越來越多的證據表明，深色隔生性內生（DSE）真菌具有促進N向植物轉移的潛力。DSE被歸類為兼性營養生物，已知與數百種植物的根可形成共生體。與AM真菌不同，DSE真菌具有腐生性，并且有分解難分解有機氮得潛力。因此，當有機物的C：N比增加且N沿連續梯度逐漸變得更大，N成為限制因素時，DSE可以在與AM真菌得競爭中取勝，以增加更多得根系養分的獲取和初級生產力。

2.2 細菌

多種細菌具有通過生物固氮過程將大氣中的N2轉化為氨的能力。為了利用此功能，各種植物通過釋放次級代謝產物這樣的信號給固氮細菌來建立聯系，從而可以讓它們進入根部。這種互惠共生體最終形成了根瘤，根瘤是一種新的植物器官。在根瘤內，植物向細菌提供光合作用所固定得碳，而細菌則反過來致力于為寄主植物提供固定的氮。屬于殼斗科，薔薇科和Curbitales（所謂的Actinorhizal植物）的220多種植物物種，以及18,000種豆科植物物種中的大多數，都可以與土壤細菌形成高度特定的共生體。十多年前，研究表明，不僅α-，而且β-變形菌門與它們的豆類宿主共同進化了多達五千萬年，以建立固氮共生體。然而，在750個豆科植物的共生體中，只有不到10％的共生體得到了充分鑒定，進一步的研究可能揭示出植物為滿足其氮需求而招募的其他細菌類群。除了有據可查的固氮共生以外，還有新的證據表明植物還可以募集固氮細菌，這些細菌不會形成根瘤，而是生活在根際（締合）或植物組織（內生）中。例如，在貧氮的情況下，北方羽毛苔蘚將資源分配給化學吸附劑的生產，以固定N2的藍細菌，然后將其定殖。作為回報，這些藍細菌通過轉移固定的N2來促進蘚類營養。這些共生藍細菌可以與其宿主進入附生和細胞內或細胞外內生相互作用。在北方森林中，與苔蘚共生的藍細菌對氮的固定作用可能占生物總氮輸入量的50％。在墨西哥的N貧瘠土壤中，最近的研究表明，一種本地玉米的氣生根粘液富含固氮菌（圖2）。該粘液富含阿拉伯糖，巖藻糖和半乳糖，可通過支持固氮菌以固定N2。固定的氮被有效地轉移到寄主植物中，占其氮營養的29％至82％。總而言之，這些發現強調了需要進行進一步的研究，識別出可被用來招募固氮細菌的被忽視的植物性狀，以幫助滿足在貧氮土壤中生長的植物的氮需求。

最近，在理解植物-微生物共生關系的分子機制方面取得了長足的進步。盡管豆科植物-細菌共生體在進化上比叢枝菌根晚了3億多年，但這兩種共生都始于基于宿主植物與微生物之間的識別信號的分子對話，以及一系列與信號轉導有關的常見植物基因（共生受體激酶），由所有宿主植物共享。因此，有人提出，與共生信號通路有關的基因是在進化性較老的AM真菌共生的背景下進化的，后來又在細菌根瘤共生的進化過程中被募集，包括非豆科的放線菌共生。獲得有關該共生信號通路的更詳細的信息可能有助于更好地理解與微生物共生以獲取營養有關的一般植物策略。

植物已經開發出通過共生來獲取營養的策略，必須繼續進化以維持有益的共生體并減少“微生物騙子”的適合度收益，也就是說有些共生體對其寄主植物的益處很小。宿主植物面臨的主要問題是“微生物騙子”可以模仿其合作競爭者的信號以進入植物宿主，因此識別信號對于選擇最佳微生物伙伴是不可靠的。植物也已經進化出機制，通過制裁效率低下的養分供應者來加強合作。例如，Kiers等（2011年）證明，通過增加碳水化合物和營養供應的相互獎勵，可以穩定菌根共生中的合作。

從上面強調的例子中可以明顯看出，植物不僅可以通過共生吸引微生物，而且可以通過穩定這些相互作用的有效性來適應N限制環境。這支持了植物不是獨立實體的想法。相反，更應該從整體的角度考慮它們，將其視為全生命周期，包括與之相關的許多不同微生物的完全多樣性。

3 微生物激發土壤有機質的分解

越來越多的證據表明，根際激發是植物獲取土壤中有機氮的重要策略。在這里，我們將激發定義為由活根釋放根際分泌物的C（包括根系分泌物，脫落的細胞和表皮細胞死亡）引起的天然土壤有機質（SOM）礦化的短期變化。不穩定的C的釋放通常會導致根際微生物群落的增長，從而導致微生物對N的需求增加。盡管可以由低分子量根系分泌物（例如氨基酸）提供氮，但前提是根際分泌物的C / N比如果高，則通常通過釋放蛋白酶和脫氨酶來從SOM中所含的含氮聚合物（例如蛋白質，幾丁質）中釋放氮來滿足微生物對氮的需求。迄今為止，關于激發的大多數研究都集中在土壤碳動態中的作用，研究表明它可以增強和抑制SOM礦化作用。根系壽命和營養化學計量等植物性狀可以驅動土壤N / P的變化，這與SOM分解有關。由于對土壤碳通量有影響，對土壤有機質的激發效應被認為對全球碳循環具有重要意義。但是，最近的研究還表明，根際激發可能影響土壤氮循環和植物對氮的供應，這甚至可能是植物和根際微生物（包括共生菌根真菌）之間的進化策略，這種策略得益于來源于植物的碳，并且反過來，通過增強土壤有機氮的微生物礦化作用，使其植物宿主受益。此外，激發效應對于全球變化下的植物氮供應尤為重要，研究表明，土壤氮循環的激發效應，即根際分泌和參與氮礦化的細胞外酶的刺激作用增加，是樹木在高CO2濃度下維持長期增長的關鍵機制。

關于土壤氮循環的激發效應的強度和方向的報告相差很大，并且已經顯示出許多因素導致了這種變化，包括植物物種的身份和物候，菌根狀態和土壤類型。但是，激發的一個關鍵決定因素是土壤養分的有效性，尤其是土壤和微生物群落受氮限制的程度。各種假說被提出來解釋激發效應與土壤養分狀況之間的聯系，普遍認為這在氮限制的土壤中具有更大的意義。例如，一種假設是，在氮限制的土壤中，根系分泌物由于刺激了參與土壤有機氮庫分解的微生物細胞外酶（即蛋白酶）而引起了正的激發效應，從而滿足了微生物對氮的需求，以及增強微生物氮的礦化和對植物的氮供應。然而，在低氮土壤中，植物和微生物對氮的需求可能很高，如果植物與微生物有效競爭氮，由于微生物分解的減少，這可能導致負的激發效應。負激發效應也被認為發生在氮充足的土壤中，微生物可能會利用分泌物來滿足其碳和能量的需求，而不是利用礦化SOM獲取氮，從而減少了有機氮的礦化。另外，土壤中磷比氮更易受限制，有人認為分泌物被用來獲取磷，而不是利用礦化SOM來吸收氮，從而減少氮的礦化和對植物的供應。但是，應注意的是，由于許多未解決的方法學困難，N激發的測量比C激發的測量更具挑戰性。

顯然，根際激發會影響土壤中礦質氮的利用，但根系分泌物影響微生物礦化-固定動態進而影響植物對氮的供應及其對隨后微生物氮循環的影響的機制仍然不確定。

（1）一個主要的不確定性涉及微生物群落組成在決定植物氮供應的激發效應中的作用，特別是考慮到微生物和不同微生物類群在SOM分解方面的功能差異。

（2）不確定性的另一個來源涉及植物性狀在影響根際激發中的作用。特別是，關于從植物釋放的分泌物的數量和質量的變化如何影響激發效應，以及它們如何受到植物氮素狀態，土壤非生物特性（例如土壤水分，質地和pH值以及形成）的影響，以及土壤團聚體的形成能夠穩定和保護有機物免受微生物礦化，人們所知甚少。

盡管早期的研究強調了根際動物與微生物的相互作用對土壤氮的礦化和植物吸收的作用，但是關于植物分泌物通過這些營養相互作用對養分釋放的影響仍存在主要不確定性。我們以定量嚴格的方式測量土壤中根系分泌物的光譜和數量的能力很差，這需要進一步研究以克服這一瓶頸。在激發的情況下，很有可能在根系的不同區域都發生負向和正向的激發效應（由于根系分泌物的空間格局，微生物活性以及土壤有機碳和氮異質性）。因此，需要對激發效應的空間和時間模式進行更多研究。最后，考慮到氮過程之間有著千絲萬縷的聯系，需要充分研究植物性狀在整個氮循環中所起的作用，并充分研究植物性狀在整個氮循環中的作用，從而明確地整合下游的以礦質氮為底物氮循環過程，以填補重要的知識鴻溝。

4 植物限制氮流失以保存有效氮

硝化作用和反硝化作用是造成陸地生態系統中礦質N損失的主要微生物過程。在反硝化過程中，當氧氣受到限制并被還原為NO，N2O和N2氣體并返回到大氣中時，微生物會將N的氧化形式（硝酸根和亞硝酸根）用作電子受體進行呼吸。硝化作用是將銨氧化為硝酸鹽，然后將其淋溶到地下水中或通過反硝化作用轉化為N氣體，從而導致土壤-植物系統中的N損失。接下來，我們重點介紹植物如何通過一系列機制和性狀來限制導致N損失的微生物過程。

最近的研究表明，植物生長策略或植物性狀，氮循環微生物的活性與氮的保留和損失之間存在關系。基于對一系列植物物種的分析，結果表明，與保守物種相比，具有探索型生長策略的物種與通過淋溶減少的氮損失和減少的微生物N2O排放有關。此外，Cantarel等（2015）表明硝化速率與比根長（即單位根生物量的根長），根氮以及植物對NH +4的親和力呈正相關，而根長密度（單位土壤體積的根長）被確定為調節植物對N2O排放的影響的關鍵性狀。與獲取策略相關的植物性狀，例如高比根長和/或高根長密度，通常與土壤資源的高獲取率相關。因此，對植物性狀與N循環微生物活性之間這些聯系的一種解釋是，植物和微生物會競爭N。確實，Moreau等人（2015年）發現，當氧氣有限時，能夠使用NO-3作為替代電子受體的細菌數量與根系N吸收率呈負相關。這表明，進行根際反硝化第一步的微生物可以被根系氮吸收率高的植物所競爭。但是，先前關于植物與微生物之間競爭性相互作用的研究大多集中在N同化過程上，而利用N獲取能量的微生物異化過程卻被忽略了。

除了上述探索型競爭外，植物還通過產生對引起氮流失的微生物有害的次生代謝產物，從而發展了直接干擾競爭機制（即化感作用）來保護氮。在熱帶草原生態系統中發現較低的硝化速率，首先證明了植物對N循環微生物的抑制現象。在此之后，研究表明硝化抑制劑可導致Brachiara牧場中氨氧化速率下降多達90％，并使古生菌和細菌中氨氧化微生物的豐度降低。與非根際土壤相比，植物根部氨氧化微生物豐度的這種減少在兩種草料作物也有報道，即紫花苜蓿和鴨茅。這些結果得到了實驗室研究的很好補充，表明存在通過根系分泌物釋放到土壤中的次生代謝物，例如3-（4氫苯基）丙酸甲酯或環狀二萜，在硝化途徑中，它們會阻斷氨單加氧酶和羥胺氧化還原酶，這種現象稱為生物硝化抑制（BNI）。這些抑制劑的釋放不是一個被動過程，而是由根系環境中高濃度的NH4 +觸發的。通過使用分根系統可以證明這一點，其中根系統的一半暴露于NH4 +，另一半暴露于NO-3。僅根系中暴露于NH4 +的部分觸發了腕內酯的釋放，表明局部活性過程。現在已經在越來越多的物種中發現了植物中BNI性狀的存在，強調了其在農業中提高氮利用效率以保存NH4 +形式氮的潛力。另一個突破性的發現是證明某些植物還可以通過根分泌物中原花青素的釋放將反硝化作用抑制多達80％。與硝化抑制劑相反，此類反硝化抑制劑的影響尚未在野外實驗中量化。有人提出通過抑制來控制N循環微生物群落的能力是一種允許入侵植物超越天然植物物種競爭的機制，但實證試驗仍然很少。另一方面，要注意的是植物還可以刺激反硝化作用，例如，如上所述，通過根際分泌物釋放有機化合物。因此，根系分泌物的性質可以差異化地影響反硝化劑和氮的損失，但正的根際效應對反硝化的影響僅限于空氣通透性低于10％–12％。然而，由于植物根附近大部分相互交織，因此刺激植物根部附近反硝化的確切因素仍在爭論中。

綜上所述，對土壤和植物系統中氮流失負有關系的微生物群落的植物性狀眾多。這些植物性狀不僅參與探索型競爭，從而限制了氮對微生物的供應，而且還參與了直接干擾競爭，即通過產生抑制性次生代謝產物來損害微生物。但是，需要進一步研究以確定該干擾競爭策略作為植物控制參與氮轉化和損失的微生物類群的手段的廣泛性。還值得考慮的是，植物和土壤微生物之間不參與競爭相互作用的性狀可以減少氮素的損失。確實，最近有報道說植物與AM真菌之間的相互關系減少了土壤中N2O的損失，但其潛在機制和性狀仍不清楚。另一個可以限制氮素流失的過程是土壤中的細菌和真菌將硝酸鹽呼吸還原為更穩定形式的銨鹽（DNRA），這種細菌在土壤中的傳播比以前想象的要廣泛。我們認為，由于根附近的碳含量較高，DNRA可能在根際中受到青睞，從而使植物能夠在土壤中保存氮。最近的一項研究支持了這一點，該研究表明，與非根際土壤相比，具有與DNRA相關的關鍵基因的細菌在根際中的含量過高。

全球氮循環已經突破了一個關鍵的門檻：工業固氮將氮氣轉化為氨以生產化肥的氮的數量現已超過地球所有陸地過程的氮含量。我們在這里表明，植物不是被動的管道，吸收任何擴散到其根部氮。相反，它們可以通過與各種N循環微生物類群的相互作用來影響不同形式N的可用性和吸收。植物對N循環微生物的影響不僅限于先前假設的幾個N循環過程（圖3）。確實，我們強調了一個事實，即植物可以通過以下方式改善其氮素營養：

（a）與土壤微生物建立各種類型的共生關系；

（b）刺激根部附近的微生物活動以增加氮的利用率；

（c）通過限制直接從抑制劑根部釋放抑制劑而導致氮損失的微生物過程（例如硝化作用和反硝化作用）來增加土壤中的氮保留。植物還可能通過競爭氮而間接地影響氮循環微生物，其中較高的植物氮吸收率會降低土壤氮的利用率，從而影響微生物的豐度或活性。

植物可以通過多種機制來調控微生物介導的N循環過程，因此，我們認為基于植物性狀的框架可以用來增進我們對植物N吸收策略與N循環微生物類群活動之間聯系的理解（圖3）。從我們的綜述中可以明顯看出，植物影響不同N循環微生物的能力通常與它們的資源獲取策略以及它們是否具有與資源開發或保護有關的性狀相關。但是，存在許多不確定性，特別是關于根性狀與N循環微生物之間的關系的機制，以及由于N循環過程有著千絲萬縷的聯系而在N循環內可能產生的級聯效應。我們還認為，研究來自N貧乏棲息地的植物可能有助于更好地了解直接控制N循環微生物的植物性狀。的確，如果我們要從高投入系統過渡到低投入系統，并利用可能在低投入可持續性系統中有價值的微生物特性，則我們需要有關這些系統的更多信息，而不僅僅是需要大量礦物質的常規農業系統通常使用N輸入。此外，仍需要大量工作來更好地了解根際中氮周轉和根系氮吸收的時空動態及其與植物性狀的關系（例如根系形態，菌根）。已經確定土壤中存在N循環熱點;然而，根系在這些短暫熱點上產生或利用的程度在很大程度上尚待探索。

植物對N循環微生物的這種影響還可能與微生物與微生物攝食動物（“微生物環”）之間的相互作用有關，例如通過釋放根系分泌物。盡管幾乎沒有證據表明以微生物為食的土壤節肢動物是氮的微生物－植物競爭的調節者，但事實表明，大型動物可以放大凋落物成分對氮礦化的影響。然而，這種相互作用被忽略了，需要進一步的研究來理解植物-微生物-動物群相互作用對土壤氮循環的貢獻。還需要進一步了解N循環微生物塑造植物功能和群落結構的交互能力，即所謂的植物土壤反饋。此外，根際氮循環如何影響植物健康有關的知識匱乏，在這方面可能出現一個新的研究領域。氮轉化過程中土壤中NO的通量因為它們在大氣化學中的作用，已經在一些研究中進行了定量分析。但是，NO還是植物信號傳遞和防御的重要信使，盡管中位NO通量為3.2 ng N m-2 s-1，但尚未考慮微生物在根際中釋放NO可能對植物抗病性的作用。

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