在稻田土壤中，水稻生长过程中特定物候阶段的有机质（DOM）转化过程维持了氮（N2）的固定

《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：Phenological stage-specific DOM transformations sustain N2 fixation during rice growth in paddy soil

水稻土壤中溶解有机物（DOM）物候变化调控根际氮固定的机制研究。通过15N同位素追踪、代谢组学与宏转录组分析发现，DOM的氧化态和化学多样性随水稻生育期变化显著影响nifA基因表达及固氮活性，苗期固氮速率达0.33 nmol N g-1 h-1，之后逐期下降。甲烷代谢与氮固定存在耦合关系，秸秆还田通过调控DOM转化促进固氮。

　　

王晓敏|冯雪英|梁林豪|高国正|吴萌|克里斯蒂娜·哈扎德|格雷姆·W·尼科尔|朱宝莉|盛荣|严晓园|单俊

中国科学院土壤科学研究所土壤与可持续农业国家重点实验室，中国南京

摘要

生物可利用碳（C）是自由生活氮（N）固定的关键决定因素，然而溶解有机质（DOM）在稻田土壤中的调节作用仍不清楚。通过使用¹⁵N₂同位素追踪、宏转录组学和高分辨率质谱技术，我们发现依赖物候的DOM转化控制了整个水稻生长过程中的根际N₂固定。N₂固定量在不同物候阶段有显著变化，在苗期达到峰值（0.33 ± 0.13 nmol N g^-1 h^-1），而在分蘖期、抽穗期、成熟期和收获期分别降至0.05 ± 0.02、0.07 ± 0.01、0.13 ± 0.08和0.14 ± 0.03 nmol N g^-1 h^-1。这些变化与基因的转录显著相关。DOM向较低燃烧焓和较高碳氧化态的季节性转变表明积累了更多难以降解且能量较低的分子。值得注意的是，单宁类化合物被确定为影响N₂固定速率和< />基因表达的重要因素。还观察到了甲烷（CH₄）转化与N₂固定之间的潜在关联。在添加了稻草的土壤中，CH₄后N₂固定速率的增加表明，稻草衍生的氧化DOM可能在高CH₄条件下促进固氮活性。总体而言，这些结果突显了DOM动态和CH₄代谢在维持自由生活N₂固定中的重要作用，并为平衡水稻生产力和环境可持续性提供了机制上的见解。

引言

自由生活氮（N）固定是将大气中的氮引入土壤的重要途径（Davies-Barnard和Friedlingstein，2020）。在稻田土壤中，这一过程可以提高土壤肥力，并可能部分减少对合成氮肥的需求；然而，其活性通常受到生物可利用碳（C）可用性的限制（Wang等人，2024a；Xu等人，2024）。固氮菌是土壤中自由生活N₂固定的关键媒介，它们需要大量的ATP来固定N₂。溶解有机质（DOM）可以通过微生物代谢为固氮菌提供重要的能量来源（Wang和Kuzyakov，2023，2024a）。DOM的能量产出由其元素组成和碳的名义氧化态（NOSC）决定，而微生物对DOM的转化可能会改变底物的质量和能量利用效率（Wang和Kuzyakov，2023，2024a，2024b）。先前的研究表明，不同的碳源类型可以通过影响微生物对碳的利用效率来影响N₂固定（Xu等人，2024；Xue等人，2024）。然而，DOM的分子组成如何影响稻田土壤中的自由生活N₂固定仍知之甚少。

水稻的物候特征，如苗期、分蘖期、开花期和成熟期，强烈影响根际碳和氮循环的结构和功能。根系产生的有机碳输入在苗期最低，在开花期达到峰值，然后在成熟期下降（Aulakh等人，2001；Li等人，2016）。与此模式一致，先前的研究表明，DOM浓度、化学多样性和分子周转率随水稻物候阶段的变化而变化，这可能是对根系分泌物变化的响应（Li等人，2023；Wang等人，2024b）。开花期的DOM浓度比其他生长阶段高118-151%，而随着水稻的生长，DOM的组成逐渐变得更加独特（Li等人，2023；Wang等人，2024b）。这种由物候驱动的DOM可用性和组成的变化可能会反过来影响根际微生物群落。先前的研究揭示了水稻物候过程中微生物群落组成的明显演替模式（Wang等人，2016；Edwards等人，2018），伴随着与N₂固定和甲烷生成相关的功能基因表达的变化（Pan等人，2021；Monteiro等人，2011）。然而，DOM的物候依赖性分子转化如何影响水稻根际土壤中的自由生活N₂固定仍不清楚。

稻田大约占全球农业甲烷（CH₄）排放量的五分之一（Wang等人，2025a）。在这些系统中，CH₄通量受水稻物候的强烈影响，通常在分蘖期达到峰值（Qian等人，2023）。最近的证据表明，存在广泛的CH₄循环固氮菌，它们在基因组上与甲烷氧化菌和甲烷生成菌都有关联（Li等人，2025）。在缺氧条件下，CH₄转化和N₂固定可能是代谢耦合的（Yu等人，2024）。例如，甲烷氧化菌群落已被证明可以刺激生物N₂固定（Larmola等人，2014；Shinoda等人，2019）。这表明，来自DOM厌氧降解的CH₄可能成为淹水土壤中固氮菌的重要能量来源（Shinoda等人，2019；Zhang等人，2020）。事实上，据报道，CH₄衍生的碳提供了支持水稻根际生物N₂固定所需能量的89.1%（Yu等人，2025）。农业管理措施，如稻草还田，可以进一步增加CH₄排放，增强DOM的化学多样性，并可能刺激N₂固定（Feng等人，2025；Wang等人，2024a；Wang等人，2025b）。然而，农业管理如何调节DOM转化、微生物CH₄代谢和N₂固定之间的相互作用仍大部分未解决。

在这里，我们结合了¹⁵N₂示踪实验、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）、高通量测序和宏转录组学，研究了水稻生长不同阶段以及在不同农业管理措施下的N₂固定速率、DOM组成和转化以及微生物CH₄代谢。具体来说，我们的目标是：（i）量化N₂固定速率的物候特异性模式及其与DOM组成的关联；（ii）研究水稻生长不同阶段微生物介导的DOM转化途径与N₂固定速率之间的相关性；（iii）评估N₂固定、DOM转化和微生物CH₄代谢之间的关系。

章节摘录

田间地点和土壤采样

土壤样本来自中国江苏省南京市太和稻种植合作社的一个长期实验站点（119°05′E，32°01′N）。该实验于2018年春季在稻麦轮作系统中建立，包括三种肥料处理：（1）对照（CK），不施用肥料；（2）NPK，施用化学氮肥（尿素，270 kg N ha^-1 yr^-1）、磷肥（P₂O₅，75 kg ha^-1 yr^-1）和钾肥（K₂O，90 kg ha^-1 yr^-1）；（3）NPK +

N₂固定速率的时间变化

稻田土壤中的N₂固定速率在整个水稻生长周期中表现出明显的时间动态，从苗期到收获期总体呈下降趋势（图1A）。线性混合效应模型分析表明，肥料处理和水稻生长阶段对N₂固定速率都有显著影响，其中生长阶段的影响大于肥料处理（阶段：F = 9.67，p < 0.001；肥料：F = 4.82，p = 0.016；图1A，1B和表S4）。具体来说，

讨论

在这项研究中，我们发现升高的基因转录可能刺激稻田土壤中的N₂固定。< />的转录动态与N₂固定速率的变化密切相关，在苗期达到峰值，之后逐渐下降。与编码氮化酶催化亚基的< />不同，< />作为主要的转录激活因子，协调结构和辅助< />基因的表达（Demtr?der等人，2019）。< />的转录

研究的局限性和未来方向

这项研究存在一些不确定性和限制，需要加以说明。首先，FT-ICR MS得到的DOM化合物是基于公式的分类，并不对应于特定的分子结构。尽管存在这些限制，FT-ICR-MS仍然是表征DOM分子多样性的强大工具（Wu等人，2025；Davenport等人，2023）。此外，FT-ICR MS本质上是一种非定量技术（Danczak等人，2020），因此得到的数据主要是

结论

我们的研究发现，DOM组成的物候特异性变化，特别是单宁类分子的变化，与水稻生长过程中的基因转录和固氮活性密切相关。观察到的CH₄转化与N₂固定之间的关联，尤其是在添加稻草的情况下，强调了有机残渣管理在塑造土壤碳和氮循环中的重要性。总体而言，这些结果突显了基于物候的有机残渣管理的潜力

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

CRediT作者贡献声明

严晓园：写作——审稿与编辑。盛荣：写作——审稿与编辑。王晓敏：写作——初稿、方法学、研究资金获取、正式分析、数据管理。单俊：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。冯雪英：软件、方法学。高国正：软件、方法学。梁林豪：软件、方法学。克里斯蒂娜·哈扎德：写作——审稿与编辑。吴萌：写作——

未引用的参考文献

Yu和Petrick，2020。

数据和材料的可用性

所有原始序列已存放在Sequence Read Archive（SRA）中，访问号为PRJNA1348985和PRJNA1353063。原始质谱数据及相关代码可在Figshare上获取（https://figshare.com/s/3329b8361d86d1ef8033）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢Laurent Philippot教授对手稿的宝贵意见和建议。我们还要感谢陶华克、张玉萌、余恒和李志豪在土壤采样方面的协助。这项工作得到了国家自然科学基金（编号42177303和42307395）和江苏省自然科学基金（编号BK20231098）的财政支持。