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01、研究背景
与空白土壤相比，植物根系和根际细菌之间的相互作用调节了氮（N）的循环过程，并创造了富含低分子量化合物（分泌物）和复杂的有机分子（腐烂的根凋落物）的生境。微生物氮循环受到土壤条件和来自许多相互关联的代谢途径的基因的调节，但大多数土壤氮循环基因表达的研究都集中在单一途径上。目前，对土壤氮循环基因调控、空间栖息地和时间之间的相互作用缺乏全面的了解。
02、研究方法
本研究分析了在存在或不存在根凋落物的情况下从3周时间序列（3、6、12和22天）中收集的根际和空白土壤中的48个宏转录组，以确定一年生草本燕麦草（Avena fatua）根系活跃生长过程中4种土壤生境（根际、腐殖际、根际/腐殖际、空白土壤）相关的主要氮循环途径以及氮转化的基因表达。
03、主要结果
01、氮循环基因的途径表达
研究结果表明，基于Bray-Curtis的氮循环基因表达的主坐标分析（PCoA）显示，最后时间点的氮循环基因表达（T4；22天）明显不同于其他时间点（图1A）。仅对前三个时间点（3、6和12天）进行分析，发现根际和空白土壤显示了额外的聚类（图1B）。根凋落物和活根的存在显著改变了氮循环基因表达的轨迹。
为了确定4种土壤微生境（根际、腐殖际、根际/腐殖际和空白土壤）中主要的氮循环途径，本研究计算了同一时间点未修正的空白土壤中根系和凋落物的表达量的log2比例差异表达量。与整体土壤相比，一些参与无机氮同化的相关基因在根际显著上调：同化硝酸盐还原基因nasA、NR和nirA、谷氨酸脱氢酶gdh2、GS/GOGAT基因glt1和gltB（图2）。在腐殖际中，与未修正的空白土壤相比，凋落物的存在还引发了大分子有机氮降解（细胞外蛋白酶和几丁质酶），以及异化途径、异化硝酸盐还原（DNRA）和反硝化途径。
图1 氮循环基因表达的主坐标分析
图2 组装转录本中氮循环基因的表达水平和通过土壤生境实现的上调
02、古菌的硝化作用
本研究鉴定的两个表达量最高的基因是氨单加氧酶的亚基，这是硝化途径中的第一个酶。为了确定哪些类群负责铵氧化基因的高表达，本研究将组装转录本中鉴定的13个amoA ORFs与RefSeq数据库中的全长amoA参考序列一起放入系统发育树中（图3）。
系统发育分析表明，158个由nirk组装的orf中有96个属于古细菌分支，与amoA的情况一样，结果显示，古菌变异招募了超过95%±0.07%的reads映射到nirK（图3B）（n = 16）。
图3 用amoA、nirK和16S rRNA测定硝化菌的系统发育过程
03、铵的同化和转运途径
谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）是表达量最高的铵获取途径，它可以在氮限制下由四种酶级联激活（图4A）。铵离子转运蛋白和GS/GOGAT（glnA;图4B）在幼龄凋落物处理的根际（根际凋落物，3天）和空白土壤（大块凋落物，22天）中显著上调（图4B）。在所有实验条件下，GS/GOGAT的表达量均比GDH（谷氨酸脱氢酶）高一个数量级（图4C）。GS/GOGAT调节蛋白glnD、glnG和glnL的表达在根际显著上调，尤其是在幼根际（图4D）。
图4 铵态同化途径及其调控基因的表达
04、研究结论
综上所述，本研究对四种常见土壤生境中所有主要氮循环途径的基因表达情况进行了综合分析。同化基因在腐殖际和根际土壤中的表达均趋于升高，而反硝化和DNRA等异化过程主要在富含有机碳的土壤中表达上调。导致系统中氮损失的过程在活根附近被下调。虽然基因表达水平不一定能预测蛋白质丰度或酶活性，但宏转录组学的使用能够跟踪多种途径，并以精细尺度的空间和时间分辨率识别权衡。
参考文献：
Rhizosphere and detritusphere habitats modulate expression of soil N-cycling genes during plant development. msystems, 2023.
