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生物硝化抑制剂的研究进展及其农业应用前景

发布日期:2021-04-20 作者:陆玉芳,施卫明 点击:

氮肥的施用在保障作物高产中起着关键和不可替代的作用,但同时也加重了水体和大气污染。硝化作用是土壤氮循环的关键转化过程,与农田氮素损失与利用密切相关,因此,抑制硝化作用一直以来被认为是减少氮素污染的关键节点。过去人们经常施用双氰胺等化学品来抑制硝化作用。假如,植物自身能主动分泌一些化合物来抑制硝化作用,显然不仅能避免化学品的额外投入,而且有持久有效、天然绿色的增效控污的优点,是理想的氮素管理对策。Z近,确实发现了一些植物的根系能产生和分泌抑制硝化作用的物质,被称为生物硝化抑制剂(BNIs),已成为国际研究热点。本文系统总结了国内外生物硝化抑制剂研究领域的重要进展,探讨了根系分泌生物硝化抑制剂的意义、物质种类和功能、分泌及作用机制,以及在提高氮肥利用率和减少环境污染方面的应用前景。为未来BNIs技术及产品的开发、提升农产品品质及推动现代农业绿色发展提供借鉴。

在自然生态系统中,BNIs可能是植物适应低氮环境的一种保氮生存机制。在高量氮投入的集约化农业中,BNIs同样能发挥一定作用,具有减少农田氮素流失和提高作物氮素利用的潜能(图1)。近年来已从高粱、湿身臂形草和水稻的根系分泌物中发现了5 种BNIs 物质,分别是对羟基苯丙酸甲酯、樱花素、高粱酮、臂形草内酯和1,9-癸二醇。其中,1,9-癸二醇是三大粮食作物中发现的首个BNIs,效果显著优于已在农牧业生产中普遍应用的双氰胺。


植物BNIs的合成和分泌主要受铵、氧气和硝化细菌等有利于硝化环境的影响因子诱导(图2)。在更微观水平上,ABC转运蛋白、反向转运蛋白、离子通道、自由扩散和囊泡运输等途径可能介导了BNIs的转运与释放(图3)。BNIs具有同时抑制氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的潜力,而双氰胺和 Nitrapyrin等化学合成硝化抑制剂(SNIs)一般仅对AOB有显著抑制。事实上,能同时调控AOA和AOB的BNIs潜在应用范围将更广泛,还将有效降低硝化微生物对硝化抑制剂的抗性,这是BNIs相比于SNIs的优势。

尽管BNIs的研究目前处于起步阶段,研究人员已探寻了一些在农业生产中高效利用BNI功能的方法,包括高BNI活性植物与其他作物轮作,BNIs物质作为新型的氮肥增效剂进行产业化,以及利用BNI性状进行作物遗传改良。为了更好地应对集约化农业的氮素困境,满足农业氮素管理的需求,有必要进一步开发BNIs在根内-根际-土壤系统中的重要功能,诸多关于BNIs的基础和应用研究值得深入
1)挖掘重要农作物的BNI功能和BNIs物质类型,兼顾BNIs物质之间的互作关系;
(2)深入探索BNIs物质抑制硝化的作用机理,评估BNIs引起的氨挥发潜在损失;
(3)解析调控BNI活性和BNIs分泌的关键基因及其分子遗传机制;
(4)开发基于BNIs的新型稳定性肥料产品,并在田间进行效果评估。



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