一氧化二氮(N2O)是一種長(cháng)壽命溫室氣體和平流層臭氧消耗物質(zhì)，對行星氮邊界具有重大影響。研究普遍認為，N2O排放是由編碼N2O產(chǎn)生和消耗酶的微生物功能基因調節的，例如amo（編碼氨單加氧酶）、nir（編碼亞硝酸還原酶）、nor（編碼NO還原酶）和nos（編碼N2O還原酶）。鑒于微生物群落的群落規模通常決定其功能，因此通常假設功能基因豐度與相關(guān)過(guò)程之間存在明確的關(guān)系。因此，許多研究都集中在功能基因在減少N2O排放方面的潛力，并嘗試開(kāi)發(fā)基因信息模型。但一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題仍然存在：土壤N2O排放量與功能基因豐度之間的關(guān)系有多牢固？對氮負荷實(shí)驗的全球薈萃分析提出了一個(gè)概念框架，以解決將土壤N2O排放與功能基因豐度聯(lián)系起來(lái)的困境。具體而言，土壤N2O排放量更有可能與基于實(shí)驗室實(shí)驗的功能基因豐度相關(guān)，而不是現場(chǎng)觀(guān)測。事實(shí)上，實(shí)驗室實(shí)驗提供了直接證據，支持土壤N2O排放與功能基因豐度之間的明確關(guān)系。然而，缺乏高質(zhì)量的現場(chǎng)觀(guān)察來(lái)測試這些實(shí)驗室研究結果的穩健性。

Wei等人(2023)最近的工作為支持這一框架提供了新的證據。作者于2018-2019年在上莊研究站進(jìn)行了精心設計的現場(chǎng)實(shí)驗，觀(guān)察到O2動(dòng)態(tài)比功能基因豐度更能預測原位土壤N2O排放。進(jìn)一步的結果表明，原位土壤N2O排放與功能基因豐度之間的較差關(guān)系可能歸因于N2O排放和田間環(huán)境條件的復雜性。此外，作者結合了多種測量技術(shù)，包括15N標記、同位素分析、成像技術(shù)以及O2和N2O的高頻測量。這種結合有助于更深入地了解跨時(shí)空尺度的土壤N2O排放的復雜過(guò)程。例如，N2O-15N位點(diǎn)偏好分析可以區分細菌反硝化和硝化/真菌反硝化產(chǎn)生的N2O，成像技術(shù)和高頻測量可以潛在地識別時(shí)空動(dòng)態(tài)、熱點(diǎn)和熱點(diǎn)時(shí)刻。

為了更好地確定原位土壤N2O排放與功能基因豐度之間的關(guān)系，未來(lái)應采取一些額外的努力（圖1）：

1.在測量基因豐度方面，基于RNA的方法可能比基于DNA的方法更有效?；贒NA的方法無(wú)法區分活性細胞和非活性細胞，而基于RNA的方法可以捕獲活性基因表達。因此，通過(guò)基于RNA的方法進(jìn)行轉錄本復制可能提供將原位土壤N2O排放與功能基因豐度聯(lián)系起來(lái)的機會(huì )。

2.對于環(huán)境信號如何調節針對N2O產(chǎn)生和消耗的基因的表達知之甚少。目前我們知道氧氣和一氧化氮可以通過(guò)調節蛋白發(fā)揮作用，直接或間接控制轉錄起始的頻率。然而，其他環(huán)境信號（例如土壤pH、水和銅可用性）對基因表達的作用和機制尚未得到充分了解。

3.功能基因的高頻測量至關(guān)重要，因為它們可以更好地匹配原位土壤N2O排放的時(shí)間變化。在大多數研究中，土壤樣本每年采集一次，可能會(huì )遺漏功能基因的一些重要信息（例如基因表達脈沖）。土壤采樣的高時(shí)間分辨率對于捕獲功能基因的變化非常重要。

4.N2O產(chǎn)生的復雜性強調了進(jìn)一步劃分N2O產(chǎn)生途徑的重要性。除了Wei等人（2023）使用的N2O-15N位點(diǎn)偏好分析之外，還開(kāi)發(fā)了一種區分生物和非生物N2O排放的新方法，即氯化鋅中毒/γ-原位15N示蹤實(shí)驗。此外，利用1-辛炔抑制劑可以區分氨氧化古菌和細菌產(chǎn)生的N2O，但該技術(shù)僅在實(shí)驗室實(shí)驗中進(jìn)行。需要更多的原位方法來(lái)劃分N2O產(chǎn)生途徑。

5.原位土壤N2O排放與功能基因豐度之間的關(guān)系應在多種現場(chǎng)條件下進(jìn)行測試。最近的研究表明，觀(guān)測到的土壤過(guò)程速率在很大程度上隨同時(shí)研究的全球變化因素的數量和不同的研究規模而變化。因此，全球變化因素和研究規?？赡軙?huì )影響原位土壤N2O排放與功能基因豐度之間的關(guān)系。多種現場(chǎng)條件下的進(jìn)一步測試可以驗證結果的穩健性。

6.需要開(kāi)發(fā)新技術(shù)來(lái)更真實(shí)、更完整地了解功能基因。定量實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應只能提供非常有限的功能基因信息，而先進(jìn)的宏基因組和基于探針的技術(shù)可能提供更好地探索原位土壤N2O排放與功能基因豐度之間潛在聯(lián)系的機會(huì )。然而，由于測序儀的成本高昂和文庫制備的復雜性，這些先進(jìn)技術(shù)仍然很難在一系列實(shí)際應用中使用。在這種背景下，有必要開(kāi)發(fā)新穎的實(shí)時(shí)和原位技術(shù)，例如成本低廉、操作簡(jiǎn)單、快速獲得結果的便攜式測序儀。

圖1.未來(lái)的研究重點(diǎn)是重新審視原位土壤N2O排放與微生物功能基因豐度之間的關(guān)系。

總之，Wei等人(2023)為支持概念框架提供了新的證據，即土壤N2O排放量更可能與基于實(shí)驗室實(shí)驗而不是現場(chǎng)觀(guān)測的功能基因豐度相關(guān)。作者還提出了監測原位土壤N2O排放動(dòng)態(tài)和解析原位土壤N2O排放源的重要示例。然而，在觀(guān)測結果為N2O建模提供信息并支持可持續氮管理之前，還需要做出一些額外的努力來(lái)重新審視原位土壤N2O排放與功能基因豐度之間的關(guān)系。同時(shí)，不僅微生物群而且酶活動(dòng)都有可能減少土壤N2O排放。這將有助于進(jìn)一步探討不同陸地生態(tài)系統的N2O排放、功能基因和酶之間的潛在聯(lián)系。