研究背景：丛枝菌根真菌（AMF）是关键的土壤生物，其广泛的菌丝创造了一个与积极参与氮循环的微生物相关的独特菌丝圈。然而，AMF和菌丝相关微生物如何合作影响N2O的潜在机制“热点”残留斑块的排放仍不清楚。在这里，我们探索了菌丝层中涉及N2O的关键微生物使用扩增子和霰弹枪宏基因组测序。使用体外培养和接种实验测试了分离的N2O还原细菌对菌丝分泌物的趋化性、生长和N2O排放。
研究简介：一氧化二氮（N2O）是一种非常强大且寿命长的温室气体，其全球变暖潜能值是CO2的273倍并且是大气中存在的最重要的臭氧消耗物质。然而，限制全球大气N2O预算仍然具有挑战性，因为N2O土壤-大气界面处的通量是高度动态和可变的，其特征是微观尺度上的“热点”和“热矩”，通常<1 cm3在数量上，与农业中的作物残茬斑块相关。估计值N2O作物秸秆的排放因子变化很大，从0.17%到2.9%不等，这取决于残留物特性和多种环境因素，如C/N比、土壤类型、充水孔隙空间（WFPS）和温度。N2O的高时空动力学通量是由于N2O背后的复杂微生物过程生产和消费，以及它们如何受到其他生物和非生物因素的影响。因此，在微观尺度上揭示介导偶发性N2O的微生物相互作用排放对于制定缓解战略至关重要。
Bioscreen全自动微生物生长曲线分析仪应用
CB培养基（见血清瓶测定）用于测定荧光假单胞菌JL1对菌丝分泌物或其主要化合物的生长反应。培养基中补充了300 mg L−1 NH4+-N（NH4Cl）和10%的维生素（相对于MSR培养基），以确保足够的细菌同化。荧光假单胞菌JL1将悬浮液接种到250μL CB培养基中，并在10×10孔蜂窝微孔板中培养（初始OD600值0.05）。使用Bioscreen C全自动生长曲线分析仪在30°C下每2小时测量一次OD600值，持续24小时，生长曲线分析系统（Oy growth CurvesAb，芬兰），每次处理4次重复。
图1：实验流程图
该研究包括几个实验：两个盆栽实验，体外实验和一个接种实验。两个盆栽实验（盆栽实验1和2）测试了AMF向残留物微位点的增殖是否可以减少N2O排放并分解调节途径。我们还测试了菌丝层中微生物组的丰度;体外实验评估荧光假单胞菌与AMF共定植对降低N2O的重要性排放。我们分离了反硝化剂，并确定了菌丝渗出物的关键成分。然后我们检查了趋化性，生长，N2O在体外培养条件下响应AMF渗出物和关键化合物的荧光假单胞菌的发射和反硝化基因表达;最后，接种实验验证了AMF或AMF渗出的柠檬酸盐对N2O的影响荧光假单胞菌在盆栽中的发射和nosZ基因表达。使用概念模型来说明AMF与荧光假单胞菌相互作用以减轻N2O的途径生产。
图2：在没有AMF（-AMF）或有AMF（+AMF）的情况下，斑块的N2O排放。
图3：在没有或存在AMF的情况下，nirK，nirS，nosZ（I族和II族）的基因和转录拷贝，以及在没有或有AMF的情况下的nosZ I/（nirK+nirS）比例
结论：我们的研究为AMF在介导氮转化过程中的重要性提供了新的见解，主要由反硝化菌进行，导致级联对土壤N2O的影响排放，我们证明了AMF丰富了N2O菌丝层中的还原假单胞菌，这是N2O下降的原因残留物斑块中的排放。值得注意的是，羧酸盐菌丝渗出作为引诱剂，荧光素JL1和作为兴奋剂触发nosZ基因的表达。这些见解为微生物与菌丝圈中微生物公会之间的有趣相互作用提供了新颖的机制理解，表明这些营养性微生物的相互作用如何如何对微生境的反硝化过程产生实质性影响的过程。这些知识为我们开辟了新的途径利用跨生物界的微生物相互作用来实现可持续的农业和减缓气候变化。
张俊伶教授课题组长期从事AM真菌介导氧化亚氮减排与土壤健康评价体系建立与探究，近年来围绕AM真菌-菌丝际微生物互作减缓土壤N2O排放机制等方面
（1）首先发现AM真菌能够富集nosZ型反硝化菌减少大豆残茬N2O的排放
农业生产中N2O的排放主要是豆科植物残渣在分解过程中产生的，来自共耕间作植物的AM真菌可以增殖到微生物群落中并与土壤微生物相互作用以减少N2O排放。然而，菌根菌丝如何影响豆科植物作物残茬中硝化菌和反硝化菌及其机制仍不清楚。该文章通过根盒隔网两分室盆栽实验评估近邻玉米AM真菌菌丝对结瘤大豆和非结瘤大豆N2O的排放的影响。AM真菌菌丝持续减少了20.8%-61.5%的N2O排放，并改变了土壤细菌群落结构，提高了nosZ型硝化细菌的相对丰度，而这一过程可能与土壤中微生物生物量碳和水溶性有机碳的增加有一定的关系（Environmental Microbiology,2021）。
（2）随后证明AM真菌招募完全反硝化细菌假单胞菌缓解土壤N2O排放，揭示了AM真菌-菌丝际微生物互作促进完全反硝化过程降低N2O排放机制
作物残体还田可以提高土壤养分，增加土壤有机碳等，是一项重要的农田管理措施。然而作物残体还田后，尤其是豆科作物收获后，在其根茬区会出现一个N2O排放高峰，这将部分抵消豆科固氮带来的收益。因此如何降低豆科根茬区N2O排放量，对缓解气候变化、促进农业绿色发展具有重要指导意义。该文章首先采用盆栽试验动态监测根茬区N2O排放，并利用荧光定量PCR、扩增子测序和宏基因组学技术发现AMF根外菌丝富集了nosZ型反硝化细菌尤其是假单胞菌，形成区别于土体的细菌群落结构，增加和上调了nosZ基因丰度和表达，促进了N2O还原过程，从而减少了蚕豆根茬区N2O排放。随后开展了系列的纯培养试验和反硝化细菌回接试验发现菌丝分泌物中的羧酸盐是触发荧光假单胞菌JL1菌株nosZ基因表达上调并减缓净N2O排放的主要物质。最后在11年的玉米/蚕豆间作试验田进行了大田取样分析，进一步验证了菌丝密度与nosZ基因丰度之间存在显著正相关性（Microbiome,2023）。