一氧化二氮(N2O)是一种长寿命温室气体和平流层臭氧消耗物质，对行星氮边界具有重大影响。研究普遍认为，N2O排放是由编码N2O产生和消耗酶的微生物功能基因调节的，例如amo（编码氨单加氧酶）、nir（编码亚硝酸还原酶）、nor（编码NO还原酶）和nos（编码N2O还原酶）。鉴于微生物群落的群落规模通常决定其功能，因此通常假设功能基因丰度与相关过程之间存在明确的关系。因此，许多研究都集中在功能基因在减少N2O排放方面的潜力，并尝试开发基因信息模型。但一个关键问题仍然存在：土壤N2O排放量与功能基因丰度之间的关系有多牢固？对氮负荷实验的全球荟萃分析提出了一个概念框架，以解决将土壤N2O排放与功能基因丰度联系起来的困境。具体而言，土壤N2O排放量更有可能与基于实验室实验的功能基因丰度相关，而不是现场观测。事实上，实验室实验提供了直接证据，支持土壤N2O排放与功能基因丰度之间的明确关系。然而，缺乏高质量的现场观察来测试这些实验室研究结果的稳健性。


Wei等人(2023)最近的工作为支持这一框架提供了新的证据。作者于2018-2019年在上庄研究站进行了精心设计的现场实验，观察到O2动态比功能基因丰度更能预测原位土壤N2O排放。进一步的结果表明，原位土壤N2O排放与功能基因丰度之间的较差关系可能归因于N2O排放和田间环境条件的复杂性。此外，作者结合了多种测量技术，包括15N标记、同位素分析、成像技术以及O2和N2O的高频测量。这种结合有助于更深入地了解跨时空尺度的土壤N2O排放的复杂过程。例如，N2O-15N位点偏好分析可以区分细菌反硝化和硝化/真菌反硝化产生的N2O，成像技术和高频测量可以潜在地识别时空动态、热点和热点时刻。


为了更好地确定原位土壤N2O排放与功能基因丰度之间的关系，未来应采取一些额外的努力（图1）：


1.在测量基因丰度方面，基于RNA的方法可能比基于DNA的方法更有效。基于DNA的方法无法区分活性细胞和非活性细胞，而基于RNA的方法可以捕获活性基因表达。因此，通过基于RNA的方法进行转录本复制可能提供将原位土壤N2O排放与功能基因丰度联系起来的机会。


2.对于环境信号如何调节针对N2O产生和消耗的基因的表达知之甚少。目前我们知道氧气和一氧化氮可以通过调节蛋白发挥作用，直接或间接控制转录起始的频率。然而，其他环境信号（例如土壤pH、水和铜可用性）对基因表达的作用和机制尚未得到充分了解。


3.功能基因的高频测量至关重要，因为它们可以更好地匹配原位土壤N2O排放的时间变化。在大多数研究中，土壤样本每年采集一次，可能会遗漏功能基因的一些重要信息（例如基因表达脉冲）。土壤采样的高时间分辨率对于捕获功能基因的变化非常重要。


4.N2O产生的复杂性强调了进一步划分N2O产生途径的重要性。除了Wei等人（2023）使用的N2O-15N位点偏好分析之外，还开发了一种区分生物和非生物N2O排放的新方法，即氯化锌中毒/γ-原位15N示踪实验。此外，利用1-辛炔抑制剂可以区分氨氧化古菌和细菌产生的N2O，但该技术仅在实验室实验中进行。需要更多的原位方法来划分N2O产生途径。


5.原位土壤N2O排放与功能基因丰度之间的关系应在多种现场条件下进行测试。最近的研究表明，观测到的土壤过程速率在很大程度上随同时研究的全球变化因素的数量和不同的研究规模而变化。因此，全球变化因素和研究规模可能会影响原位土壤N2O排放与功能基因丰度之间的关系。多种现场条件下的进一步测试可以验证结果的稳健性。


6.需要开发新技术来更真实、更完整地了解功能基因。定量实时聚合酶链反应只能提供非常有限的功能基因信息，而先进的宏基因组和基于探针的技术可能提供更好地探索原位土壤N2O排放与功能基因丰度之间潜在联系的机会。然而，由于测序仪的成本高昂和文库制备的复杂性，这些先进技术仍然很难在一系列实际应用中使用。在这种背景下，有必要开发新颖的实时和原位技术，例如成本低廉、操作简单、快速获得结果的便携式测序仪。

图1.未来的研究重点是重新审视原位土壤N2O排放与微生物功能基因丰度之间的关系。


总之，Wei等人(2023)为支持概念框架提供了新的证据，即土壤N2O排放量更可能与基于实验室实验而不是现场观测的功能基因丰度相关。作者还提出了监测原位土壤N2O排放动态和解析原位土壤N2O排放源的重要示例。然而，在观测结果为N2O建模提供信息并支持可持续氮管理之前，还需要做出一些额外的努力来重新审视原位土壤N2O排放与功能基因丰度之间的关系。同时，不仅微生物群而且酶活动都有可能减少土壤N2O排放。这将有助于进一步探讨不同陆地生态系统的N2O排放、功能基因和酶之间的潜在联系。