一氧化二氮(N2O)是一種長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(diào)節(jié)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(guī)模通常決定其功能，因此通常假設功能基因豐度與相關過程之間存在明確的關系。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，并嘗試開發(fā)基因信息模型。但一個關鍵問題仍然存在：土壤N2O排放量與功能基因豐度之間的關系有多牢固？對氮負荷實驗的全球薈萃分析提出了一個概念框架，以解決將土壤N2O排放與功能基因豐度聯(lián)系起來的困境。具體而言，土壤N2O排放量更有可能與基于實驗室實驗的功能基因豐度相關，而不是現(xiàn)場觀測。事實上，實驗室實驗提供了直接證據(jù)，支持土壤N2O排放與功能基因豐度之間的明確關系。然而，缺乏高質(zhì)量的現(xiàn)場觀察來測試這些實驗室研究結果的穩(wěn)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(jù)。作者于2018-2019年在上莊研究站進行了精心設計的現(xiàn)場實驗，觀察到O2動態(tài)比功能基因豐度更能預測原位土壤N2O排放。進一步的結果表明，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，包括15N標記、同位素分析、成像技術以及O2和N2O的高頻測量。這種結合有助于更深入地了解跨時空尺度的土壤N2O排放的復雜過程。例如，N2O-15N位點偏好分析可以區(qū)分細菌反硝化和硝化/真菌反硝化產(chǎn)生的N2O，成像技術和高頻測量可以潛在地識別時空動態(tài)、熱點和熱點時刻。

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系，未來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。基于DNA的方法無法區(qū)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，通過基于RNA的方法進行轉(zhuǎn)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)系起來的機會。

2.對于環(huán)境信號如何調(diào)節(jié)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調(diào)節(jié)蛋白發(fā)揮作用，直接或間接控制轉(zhuǎn)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重要，因為它們可以更好地匹配原位土壤N2O排放的時間變化。在大多數(shù)研究中，土壤樣本每年采集一次，可能會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(diào)了進一步劃分N2O產(chǎn)生途徑的重要性。除了Wei等人（2023）使用的N2O-15N位點偏好分析之外，還開發(fā)了一種區(qū)分生物和非生物N2O排放的新方法，即氯化鋅中毒/γ-原位15N示蹤實驗。此外，利用1-辛炔抑制劑可以區(qū)分氨氧化古菌和細菌產(chǎn)生的N2O，但該技術僅在實驗室實驗中進行。需要更多的原位方法來劃分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系應在多種現(xiàn)場條件下進行測試。最近的研究表明，觀測到的土壤過程速率在很大程度上隨同時研究的全球變化因素的數(shù)量和不同的研究規(guī)模而變化。因此，全球變化因素和研究規(guī)?？赡軙绊懺煌寥繬2O排放與功能基因豐度之間的關系。多種現(xiàn)場條件下的進一步測試可以驗證結果的穩(wěn)健性。

6.需要開發(fā)新技術來更真實、更完整地了解功能基因。定量實時聚合酶鏈反應只能提供非常有限的功能基因信息，而先進的宏基因組和基于探針的技術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。然而，由于測序儀的成本高昂和文庫制備的復雜性，這些先進技術仍然很難在一系列實際應用中使用。在這種背景下，有必要開發(fā)新穎的實時和原位技術，例如成本低廉、操作簡單、快速獲得結果的便攜式測序儀。

圖1.未來的研究重點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系。

總之，Wei等人(2023)為支持概念框架提供了新的證據(jù)，即土壤N2O排放量更可能與基于實驗室實驗而不是現(xiàn)場觀測的功能基因豐度相關。作者還提出了監(jiān)測原位土壤N2O排放動態(tài)和解析原位土壤N2O排放源的重要示例。然而，在觀測結果為N2O建模提供信息并支持可持續(xù)氮管理之前，還需要做出一些額外的努力來重新審視原位土壤N2O排放與功能基因豐度之間的關系。同時，不僅微生物群而且酶活動都有可能減少土壤N2O排放。這將有助于進一步探討不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放、功能基因和酶之間的潛在聯(lián)系。