项目文章 | 中国农业大学张福锁院士团队田静副教授课题组NC发文:保护性在长期增温背景下通过强化植物-微生物互作提升作物氮获取

2025年12月11日，中国农业大学张福锁院士团队田静副教授课题组与中国科学院地理科学与资源研究所侯瑞星研究员合作，在《自然-通讯》（Nature Communications）IF15.7发表了题为《保护性农业在长期增温背景下通过强化植物-微生物互作提升作物氮获取》的研究论文。该研究基于长期增温田间试验，系统揭示了在气候变暖背景下，保护性农业如何通过调控根系代谢与根际微生物功能，增强作物对氮素的竞争与吸收能力，为应对气候变暖下植物养分利用效率和保障粮食安全提供了重要理论基础。

文章信息

英文题目：Conservation agriculture raises crop nitrogen acquisition by amplifying plant-microbe synergy under climate warming

中文题目：保护性农业在长期增温背景下通过强化植物-微生物互作提升作物氮获取

期刊名：Nature Communications

发表时间：2025年12月11日

IF：15.7

合作单位：中国农业大学

DOI号：10.1038/s41467-025-65999-z

美吉生物提供的组学技术：非靶向代谢组+微生物多样性（细菌+真菌）+宏基因组

样品来源：小麦根系分泌物、根际土壤

文章简介

全球变暖对可持续性农业构成挑战，加剧了农业系统对氮肥的依赖、激化植物-微生物氮竞争，导致氮素损失、环境污染和经济成本上升。保护性农业作为一种基于自然的可持续管理方式，被证实能改善土壤功能，但其在长期气候变暖下如何通过根际过程调控作物氮获取，机制尚不明确。

为此，该研究基于长达10年的田间试验，结合原位¹⁵N示踪、根系代谢组与微生物组等多组学技术，系统探讨了增温与管理方式（保护性农业 vs. 传统农业）对小麦氮获取的交互影响。结果表明，与传统农业相比，增温在保护性农业中显著提升了小麦对硝酸盐的吸收效率（增幅高出25%），并缓解了微生物对氮的竞争。这一效应归因于保护性农业下根系代谢物的改变重塑了根际微生物功能：土壤总氮矿化与硝化速率分别提高191%和159%，而微生物固氮率降低24%，相关功能基因丰度亦发生相应变化。该过程通过优化碳-氮交换效率，使小麦在氮竞争中占据优势，证实了保护性农业可通过强化植物-土壤-微生物互作来增强作物氮获取能力，为气候变暖下的农业可持续性提供了重要的机制支撑与实践策略。

研究方法概述

农业管理：保护性农业（免耕+残茬保留）和传统农业（传统耕作+残茬移除）

结合变暖处理：环境温度vs.增温（+2℃，红外加热）。

原位¹⁵N标记实验：量化小麦和微生物对NO^3-和NH⁴⁺的摄取与竞争。

土壤总氮转化速率测定：通过¹⁵N稀释法计算矿化、硝化与固定速率。

根系代谢组学：使用LC-MS分析小麦根系分泌物代谢物。

微生物、宏基因组学：通过16S rRNA、ITS测序和宏基因组学分析微生物群落和功能基因。

多组学分析：线性混合效应模型、随机森林模型识别关键预测因子、网络分析（微生物-代谢物-功能基因关联）等。

图1 田间实验设计。a 配备红外加热系统和原位¹⁵N标记小区的田间实验概览；b 使用¹⁵N标记实验分析小麦植株与微生物之间的氮分配、通过原位¹⁵NO₃^-和¹⁵NH₄⁺标记来量化植物-微生物氮竞争；c 土壤总氮转化速率（矿化与硝化）；土壤总氮转化速率采用24小时¹⁵N库稀释法测定；d 植物根系分泌物与根际微生物组。

主要研究内容

该研究通过原位¹⁵N同位素标记实验系统量化了气候变暖下小麦与根际微生物的氮竞争关系。结果表明，增温普遍促进小麦与微生物对硝态氮的吸收，但保护性农业的调控效应尤为突出：在增温条件下，保护性农业使小麦硝态氮吸收提升幅度（+40%）显著高于常规农业（+26%），并有效缓解了微生物对硝态氮和铵态氮的竞争。进一步对土壤氮转化过程的解析发现，保护性农业在增温环境中驱动了土壤氮循环的功能重构：总氮矿化速率与总硝化速率分别大幅提高191%和159%，而微生物氮固持速率则降低24%。这证实保护性农业通过协同“开源”（促进矿化与硝化）与“节流”（抑制微生物固持）的机制，定向优化根际氮供应，显著增强了小麦在氮获取中的竞争优势，为气候变暖下实现作物氮高效可持续利用提供了关键的农学与生态学依据。

为探究上述氮循环过程变化的驱动力，研究分析了根际微生物群落和根系分泌物的响应。

该研究通过16S rRNA和ITS基因扩增子测序，结合微生物生物标志物鉴定分析发现，农业管理方式主导了根际微生物对增温的响应格局。在保护性农业中，增温显著改变了细菌群落结构，并特异性地富集了关键氮循环功能菌群，包括硝化过程中的核心细菌科（如亚硝化单胞菌科Nitrosomonadaceae、硝化螺菌科Nitrospiraceae等）以及与共生相关的真菌类群（如多型孢子科Diversisporaceae等）。相比之下，常规农业下细菌群落对增温更为敏感，但未出现类似的功能类群定向富集。这表明保护性农业能引导根际微生物群落向促进氮转化的功能方向演变。

与此同时，通过根系分泌物代谢组学分析揭示，该研究发现小麦根系代谢物对增温的响应同样具有管理特异性。在保护性农业中，增温提高根系分泌速率并改变代谢物组成，其中碳水化合物、氨基酸及酚类、萜类等部分次级代谢物对增温表现出更强的响应。这些变化与微生物功能互作，驱动氮循环优化。

图3 管理方式和增温对小麦根际细菌群落的影响；a 两种管理系统下增温与常温处理间细菌群落组成的变化，b 展示两种管理系统中主要土壤细菌类群对增温响应的分类树。c, d 随机森林模型检测作为增温生物标志物的细菌类群；Conserv-Amb：未增温的保护性农业，Conserv-Warm：增温的保护性农业，Conven-Amb：未增温的传统农业，Conven-Warm：增温的传统农业

图4 管理方式和增温对小麦根际细菌群落的影响。通过PCoA（a）、效应大小（b）和分子响应（c、d）展示了根系代谢物组成的变化。

为进一步明确小麦根际微生物的功能潜力，该研究进行了宏基因组测序。该研究通过宏基因组测序揭示：KEGG功能富集分析表明，保护性农业的增温条件下，微生物代谢通路，特别是氮代谢相关通路被显著激活。保护性农业在增温条件下显著增强了总氮矿化与硝化等提供无机氮的关键过程微生物基因相对丰度（如线菌门、热变形菌门等菌群及ureC、amoA等功能基因），同时降低了微生物固持、硝酸盐还原等消耗无机氮的过程微生物基因相对丰度（如nasA、nirB等），最终提升土壤硝酸盐净产量，为小麦提供更充足氮素，这与田间测定的土壤氮转化速率变化一致。

综上所述，保护性农业在气候变暖背景下，通过调控根际微生物群落，在功能基因水平上协同实现了“开源”（增加硝化）与“节流”（减少硝酸盐还原），促进了根际微生物功能从“氮竞争者”向“氮供给者”转变，使更多无机氮能够及时释放并被作物吸收。 

图5 管理方式与增温对小麦根际微生物功能谱的影响；a, b 增温与常温条件下差异表达代谢通路的KEGG富集分析；c 管理方式和增温对氮循环相关基因相对丰度的影响；d 桑基图展示增温和农业管理下不同微生物类群对氮代谢过程贡献的差异，从左到右三列分别表示：四种处理、各分类群对代谢功能的贡献、对氮循环的贡献。

为探究小麦根系代谢对根际微生物组的影响，建立了一个多组学框架来探索不同农业管理系统内潜在的植物-微生物相互作用。该研究发现保护性农业中根系代谢物与根际微生物的正向连接较传统农业大幅提升，其中氨基酸、有机酸和萜类等代谢物与硝化相关功能菌群的联系显著加强。多组学整合结果进一步表明小麦根系代谢可解释 71% 的氮循环基因组成变异，初级代谢物为硝化等耗能氮循环过程提供支撑，次级代谢物与氮循环微生物类群、功能基因关联显著，萜类是多数氮过程的关键预测因子。综上，说明在保护性农业增温背景下，根系代谢重塑是促进微生物功能优化、加速根际土壤氮循环的关键驱动力。

图6 小麦根系代谢物与根际微生物组及氮循环功能基因的相互作用；a, b 二分网络可视化每种管理系统中根系代谢物单个分子与根际微生物（属水平）之间的相互作用；g, h 使用冗余分析评估根系代谢数量和质量对氮循环相关基因的影响；i 使用随机森林分析评估根系代谢数量和质量对六类氮循环基因的贡献

结论

该研究阐明，在气候变暖背景下，保护性农业可通过强化植物与微生物的协同作用，有效促进作物对氮素的吸收。具体而言，保护性耕作能显著改变小麦根系分泌物的组成，进而调控根际微生物群落功能，加速土壤氮的矿化与硝化过程，并抑制微生物对氮的固定与消耗，从而缓解作物与微生物间的氮竞争。这一机制表明，保护性农业在未来气候条件下有望通过增强植物-土壤-微生物互作，推动根际碳氮互惠过程，提升作物氮吸收效率。该研究为应对气候变暖下植物养分利用效率的挑战、保障粮食安全提供了重要的理论依据。

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