中荷项目(AGD)计划张福锁院士团队张俊伶教授课题组在《新植物学家》上发文探讨菌丝际“保氮”“减排”机制

2025年9月10日，中国农业大学与荷兰瓦赫宁根大学农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD计划）张福锁院士团队张俊伶教授课题组在New Phytologist期刊（IF=10.3）上发表了题为“Arbuscular mycorrhizal fungi enhance nitrate ammonification in hyphosphere soil”的研究论文。文章第一作者为中荷项目博士生赵若桐和田纳西大学诺克斯维尔分校博士后何广。博士生周大朴、大同大学李侠教授、荷兰瓦大Thomas W. Kuyper教授等参与了研究工作。

土壤氮素易流失，如何把硝酸盐“留”在土里，是提升氮肥利用率与农业可持续的关键。本研究在自然土壤体系中，追踪¹⁵N、结合宏基因组与分离菌验证，系统阐明AMF（丛枝菌根真菌）通过菌丝际微域促进硝酸盐转化为铵（NH₄⁺）的过程。

研究做了什么？

1.      以 ¹⁵NO₃⁻ 示踪对比菌丝际土壤与体土中的氮转化。

2.      进行宏基因组分析，并从菌丝际分离到携带 nirBD 的 Paenibacillus sp.（DP01），考察其与AMF的跨界互作。

3.      评估菌丝分泌物（Hyphal exudates）对铵化效率与生物膜形成的影响；同步监测菌丝表面氧耗。

关键发现（Highlights）

1.      保氮效应显著：接种后 AMF 菌丝成功扩展至菌丝室；菌丝际土壤的菌丝长度密度（HLD）= 7.0 m·g⁻¹ soil，为体土的 ≈10 倍（0.6 m·g⁻¹，P < 0.001）。在菌丝际土壤，NH₄⁺浓度与由 ¹⁵NO₃⁻ 衍生的 ¹⁵NH₄⁺分别达到体土的 1.42 倍与 5.01 倍，估算的硝酸盐铵化速率为菌丝际 ≈80 μmol N·kg⁻¹·d⁻¹，土体土 ≈16 μmol N·kg⁻¹·d⁻¹。显示AMF显著增强硝酸盐铵化。菌丝际 DOC 高于体土；EPS 显著增强：松散型 EPS 多糖提高2.92 倍，紧密型 EPS 蛋白提高1.32 倍，糖萼型 EPS↑提高1.53 倍。

2.      功能菌普遍存在：宏基因组显示，介导亚硝酸还原为铵的nirB 基因在菌丝际与体土中广泛检出。

3.      互作机制明确：AMF 菌丝分泌物可提升 DP01 的铵化效率并促进生物膜形成；同时在菌丝表面检测到更快的氧耗竭，提示AMF构建了有利于铵化的低氧/还原微域。

意义：铵化是在丛枝菌根真菌（AMF）菌丝际被显著增强的一条新识别氮转化通路。我们构建了一个“真菌—铵化细菌”互作框架：一方面，AMF菌丝通过加速局部耗氧并促进生物膜（EPS）形成，在表观含氧环境中塑造出厌氧微域；另一方面，AMF的菌丝分泌物可直接提升伴生原核生物（如携带 nirBD 的 Paenibacillus）的铵化效率。两套机制协同作用，使专性厌氧菌在菌丝际获得稳定生态位并高效完成硝酸盐/亚硝酸盐向铵的还原，从而解释了AMF驱动的保氮效应。

该研究是在课题组前期在菌丝际减少N₂O基础上的进一步拓展，前期工作包括：

（1）发现 AMF 菌丝分泌的小分子有机酸（柠檬酸/苹果酸） 能对 nosZ 型反硝化菌产生趋化并促其黏附于菌丝表面，导致菌丝际 nosZ 菌群富集；同时，这些有机酸直入 TCA 循环，提升电子供给，使 nosZ 转录水平上升、nosZ/（nirS+nirK）比值提高，功能上表现为 N₂O→N₂ 终端还原加快、N₂/(N₂+N₂O) 提升、N₂O 峰值降低。

Li X, Zhao R, Li D, Wang G, Bei S, Ju X, An R, Li L, Kuyper TW, Christie P et al. 2023. Mycorrhiza-mediated recruitment of complete denitrifying Pseudomonas reduces N₂O emissions from soil. Microbiome 11: 45.

（2）在“豆科秸秆分解形成 N₂O 热点”的情境下，以与玉米套作来源的 Rhizophagus aggregatus 菌丝构建分室微宇宙，发现 AMF 菌丝稳定降低 N₂O 排放 20.8%–61.5%，并促进 N₂O-耗食型（nosZ）反硝化菌丰度、重塑群落结构（部分效应与 MBC、DOC 的提高相关）；同时在结瘤未施氮处理中抑制 nirK 型反硝化菌，在不结瘤施氮处理中抑制 AOB。在此连续证据基础上，本文进一步把“末端减排（nosZ）”与“保氮（铵化/DNRA）”置于同一菌丝际微域中加以串联与机制解析。

Zhao R, Li X, Bei S, Li D, Li H, Christie P, Bender SF, Zhang J. 2021. Enrichment of nosZ-type denitrifiers by arbuscular mycorrhizal fungi mitigates N2O emissions from soybean stubbles. Environmental Microbiology 23: 6587– 6602.

项目简介：中荷农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD 计划）是由国家留学基金委资助，面向可持续、绿色生态的国家食物安全重大战略需求，以培养多学科交叉创新、高层次复合型人才为目标的博士生培养计划。该计划依托国际智力资源和先进培养体系，中国农业大学与荷兰瓦赫宁根大学共建基于AGD 计划的博士生联合培养新模式。AGD计划总体目标是为中国农业可持续发展的转型做贡献，从高资源投入、高环境代价的生产模式转向高养分利用效率、低环境代价的可持续集约化生产模式。项目扎根中国大地，探索绿色高质农业发展道路，为全球农业可持续发展提供中国经验和中国样板。