低碳自然的手段是应对全球气候危机的最新战略，根际分泌物能在陆地和水生生态系统中调节氮循环，强化植物-微生物在地下的化学通讯过程，从而减少温室气体N2O排放与减缓水体富营养化，是一项环境友好且高效的固碳减排措施。
南京土壤所研究员施卫明团队针对调控硝化与反硝化的根际小分子信号物质类型不明、机制不清等问题，利用根系分泌物高效收集与精细分离、气相色谱-质谱联用、15N同位素标记与高通量测序等技术，前期自主发现了水稻源生物硝化抑制剂1,9-癸二醇（Sun et al., New Phytol., 2016），明确了1,9-癸二醇在不同pH土壤上的氮素增效减排效果（Lu et al., Soil Biol. Biochem., 2019）与分泌机制（Zhang et al., Plant Soil, 2019），进一步挖掘了与 1,9-癸二醇协同增效且对脲酶-硝化酶双抑制的抑制剂丁香酸（Lu et al., Biol. Fertil. Soils, 2022），阐明了根际反硝化促进剂豆甾醇高效去除水体氮素的效果及机制（Lu et al., Environ. Pollut., 2021），并授权了多项相关国家发明专利。
然而，根际小分子物质在全球尺度上对N2O排放的影响尚未明确。近日，施卫明团队联合北京大学、墨尔本大学等国内外研究单位，在根际代谢物调控土壤N2O排放效果与因子研究方面取得了新进展。构建了全球植物代谢物影响土壤N2O排放数据集，进一步通过整合分析与土壤培养实验，发现根际代谢物总体上促进土壤N2O排放约10%，但不同代谢物类型效果不同，其中以生物硝化抑制剂BNIs/生物反硝化抑制剂BDIs形式存在的次级代谢物显著减少根际土壤N2O排放，葡萄糖、有机酸、氨基酸等初级代谢物却显著促进了土壤N2O排放。这种生物调控与土壤质地与pH密切相关，在粘粒含量较高与中性的土壤上减排效果最好。上述研究为全球N2O排放提供了一种精准的根际代谢物生物调控方案，也为农田土壤N2O排放模型提供了新的生物因子参数。相关研究成果以“Biological mitigation of soil nitrous oxide emissions by plant metabolites”为题，已在线发表在Global Change Biology上。
基于上述系列研究，施卫明团队及合作者近期应邀在植物科学领域权威期刊Trends in Plant Science发表了题为Nitrogen-loss and carbon-footprint reduction by plant-rhizosphere exudates的综述论文。该文总结了根际小分子化学信号物质在减少陆地与水生生态系统中氮排放方面的最新进展，特别讨论了减少农田氮素损失与水体氮污染的物质种类、作用机制及调控效果，包括生物硝化抑制剂（BNIs）、生物反硝化抑制剂（BDIs）和生物反硝化促进剂（BDPs）；同时提出了根际分泌物在低碳农业中应用场景，如培育BNI/BDI增强型植物，与BNI/BDI植物间作与轮作，研制基于根际分泌物的绿色肥料与水体净化剂；并对未来的研究方向提出建议：（1）关注植物体内BNI/BDI/BDP合成和分泌的关键基因和调控机制；（2）揭示根际生物之间的双向与跨界化学信号通讯机制；（3）评估基于根际分泌物绿色肥料与净化剂在不同区域的田间效果。
上述成果得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学重点（面上）基金，中国科学院战略性A类先导专项与中国科学院青年创新促进会等项目资助。
图1 根际小分子物质调控全球尺度土壤N2O排放效果与机制示意图
图2 根际小分子物质对陆地与水生生态系统氮排放的调控
图3 根际小分子物质在低碳农业中的应用场景
原文链接：https://www.issas.ac.cn/xwzx/kjjz/202406/t20240605_7184822.html