生物硝化抑制劑的研究進展及其農業應用前景*

陸玉芳，施衛明

（土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）

大量施用氮肥為作物增產做出了巨大貢獻，維持了全世界 70 多億人口的糧食供應[1]。在目前產量水平下，我國三大糧食作物水稻、小麥、玉米每季推薦施氮量范圍大致為150～250 kg·hm-2（以N計，下同）[2-4]，但我國很多田塊的氮肥施用量達到了250～350 kg·hm-2[5]。由于過量施肥和不合理的管理措施[6]，我國目前主要糧食作物的當季氮肥利用率僅為 30%～40%[4，7-8]，明顯低于一些發達國家和地區 40%～60% 的水平[9]。根據聯合國糧食及農業組織（FAO）的統計資料[10]，我國氮肥年用量為3 000萬t，持續高量的氮肥投入造成農業氮素損失嚴重，引發水體富營養化、溫室氣體排放和土壤酸化等一系列生態環境問題[11-12]。因此，如何在現有施肥和生產模式下，達到提高作物氮素利用率和降低氮素環境污染的目的[8，13]，成為新形勢下我國農業發展的重要需求。

這種氮素利用率低和氮污染的困境與氮高度活躍及其轉化過程多樣有關。在農田生態系統中，有機氮會通過礦化作用轉化為銨態氮銨態氮會通過硝化作用轉化為硝態氮無機態的容易被植物吸收利用會通過反硝化作用轉化成N2O和N2，也會通過厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，anammox）和硝酸鹽異化還原為銨（dissimilatory nitrate reduction to ammonium，DNRA）過程轉化為N2和，N2再通過生物固氮作用進入土壤轉化為氨。然而，隨著氮肥大量施用，土壤中未被農作物吸收的和會損失至環境中，如硝化作用產生的會隨淋溶途徑進入水體造成富營養化，硝化和反硝化作用產生的N2O 氣體會加劇溫室效應，此外還會有氨揮發損失[14]。在現代農業氮循環中，硝化作用與氮素損失和利用密切相關，成為提高氮素利用率和減少氮污染的關鍵過程[15-16]。合理抑制硝化作用是高投入條件下走出氮素管理困境的有效途徑之一。

利用化學合成硝化抑制劑（synthetic nitrification inhibitors，SNIs）是減少氮流失風險和提高氮肥利用率的一項重要措施，在生產實踐中得到了較普遍的應用。目前在農業上廣泛應用的 SNIs 有 3 種：（1）雙氰胺（dicyandiamide，DCD），（2）3,4-二甲基吡唑磷酸鹽（3,4-dimethylpyrazole phosphate，DMPP），（3）2-氯-6-三氯甲基吡啶（2-chloro-6-trichloromethyl pyridine，nitrapyrin）。通過 Meta 數據分析發現，SNIs 和尿素同時使用能顯著減少 48% 的淋溶，44% 的 N2O 排放[17-18]，同時增加 7.5% 的作物產量和 12.9% 的氮素利用率（nitrogen use efficiency，NUE）[19]。SNIs 的有益效果受環境因子（如土壤pH、質地、溫度）和農藝管理措施（如灌溉和氮肥用量）的影響[19]。由于能在農業生產中規模應用的SNIs 品種非常有限，且多為化工產品，其應用不僅會增加農業生產成本，還可能對環境和食品安全造成潛在威脅[20-21]。因此，在我國現代農業綠色發展的要求下，有必要尋求控制硝化作用的環境友好替代方案。本文針對生物硝化抑制劑在提高氮素利用率和減少氮環境污染方面的研究進展及其重要作用進行了系統總結。

1 生物硝化抑制劑在生態系統中的意義

2006年，日本國際農林水產業研究中心Subbarao高級研究員正式提出了“生物硝化抑制作用（biological nitrification inhibition，BNI）”的概念，它是指植物根系產生和分泌能抑制土壤硝化作用物質的能力；植物根系產生和分泌的抑制硝化作用的物質，則稱為生物硝化抑制劑（biological nitrification inhibitors，BNIs）[22]。事實上，早在20世紀六七十年代，研究人員就發現在森林和草地生態系統中，包括樹木、灌木、草、草藥和苔蘚等植物組織中有BNI活性[23-24]，從而推測根系分泌的BNIs是驅動生態系統演替的關鍵機制。

研究普遍發現，在氮營養缺乏的環境中生長的植物通常具有BNI活性。短梗苞茅（Hyparrhenia diplandra）和非洲濕身臂形草（Brachiaria humidicola）這兩種熱帶草受到的關注較多，田間試驗表明它們生長的土壤硝化潛勢和硝酸鹽含量低[25-28]。Subbarao等[29]隨后通過生物化學發光法發現Brachiariahumidicola的根系具有最強的BNI活性。Janke等[30]指出澳大利亞當地物種木槿（Hibiscus splendens）和刺茄（Solanum echinatum）的根系分泌物具有BNI活性，而它們正是生長在氮素養分缺乏的貧瘠土壤中。最近，研究人員在硝化速率低的溫帶森林樹木歐洲云杉（Picea abies）和高加索冷杉（Abies nordmanniana）組織中也發現了BNI功能[31]。可見，BNIs可能是植物適應低氮環境的一種保氮生存機制[25，29]。

與自然生態系統以及傳統農業耕作體系相比，現代高投入農業生產體系土壤的硝化作用迅速，硝化速率增加了數倍[32]，BNIs 對于農田土壤硝化過程的調控值得關注。一些早期研究表明，適應高氮環境的植物BNI能力通常較弱。在牧草中，黍屬（Panicumspp.）相對于臂形草屬（Brachiariaspp.）更適應高氮環境，其根系BNI活性較弱[29]；在大田作物中，適應低氮投入的高粱（Sorghum bicolor）根系分泌物有顯著的BNI能力，而在高氮環境生長的水稻（Oryza sativaL.）、小麥（Triticum aestivum）和玉米（Zea maysL.）卻無硝化抑制活性[29]。但是相關的研究涉及的作物品種并不多，僅關注了糧食作物的單個品種，這很有可能忽視了BNI在三大糧食作物中的重要作用。最近O'Sullivan 等[33]對98種基因型小麥的調查研究，推翻了基于單一品種小麥幾乎不具有BNI或無BNI的觀點。該研究表明，目前使用的幾種地方品種和兩個商業品種的根系分泌物均具有顯著的BNI活性。此外，BNI在硝化作用弱的水作植物中不重要的觀點也很快被扭轉。Pariasca Tanaka 等[34]在一項對36種水稻基因型根系分泌物的研究中發現約有半數品種具有明顯的BNI作用。施衛明研究員課題組通過19種水稻基因型的篩選實驗表明，秈稻和粳稻的根系分泌物均具有較強的BNI活性，進一步通過根系分泌物精細分離和氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）鑒定技術，首次明確了水稻分泌的BNIs 物質是1,9-癸二醇[35]。盡管目前尚未有證據表明玉米具有BNI功能，然而在玉米廣闊的遺傳資源背景下過早地排除其BNI功能還為時尚早[14]。鑒于水稻、小麥和玉米等糧食作物的氮肥投入強度和經濟價值，對作物BNI的研究將對氮肥減施增效具有重要意義。可見，BNIs 在高量氮投入的農業中同樣能發揮一定作用，具有減少農田氮素流失和提高作物氮素利用的潛能[14，36]（圖1）。

2 根系分泌生物硝化抑制劑的種類與功能

2.1 生物硝化抑制劑的種類

盡管目前已明確了草類、樹木和作物等根系分泌物的BNI活性，但對具體起作用的關鍵BNIs 物質了解甚少，而只有真正揭開它們的面紗，才能有的放矢地服務于農業生產。早期對于BNI化學物質的識別局限于植物組織或土壤提取物[37-39]，而不是根系分泌物，其中原因之一可能是根系分泌物含量低、易分解、干擾物質多，收集和分離難度較大。然而相對于植物組織提取物，根系主動分泌的BNIs更可能具有BNI作用[33]，挖掘根系分泌物中的BNIs物質將更有意義。近十年來，隨著根系分泌物收集、分離和鑒定技術的快速發展，已從高粱、濕身臂形草和水稻的根系分泌物中發現了5 種BNIs（表1）。

表1 根系分泌生物硝化抑制劑的種類和效果Table 1 Types and effects of biological nitrification inhibitors exuded from roots

2008年，從高粱一個高BNI活性品種Sorghum bicolor根系分泌物中發現了第一種BNIs——對羥基苯丙酸甲酯（methyl 3-（4-hydroxyphenyl）propionate，MHPP），該苯丙酸類物質具有中等的BNI活性[39]。隨后，Subbarao 等[40]又從高粱中發現了2 種BNIs，分別是親水性組分中發現的黃酮類化合物櫻花素（sakuranetin），以及從疏水性組分中發現的苯醌類化合物高粱酮（sorgoleone），該物質對高粱根系分泌物BNI活性具有主導作用。該團隊2009年還從Brachiaria humidicola根系分泌物中發現了一種環狀二萜物質，命名為臂形草內酯（brachialactone）[41]，它是濕身臂形草根系分泌物中的BNI主導物質，貢獻率達60%～90%。最新的一種根系分泌BNIs 來自國內施衛明研究員團隊，他們從水稻中發現了脂肪醇類化合物1,9-癸二醇（1,9-Decanediol），這是三大糧食作物中發現的首個BNIs，相比于已知的BNIs物質抑制活性處于中等水平，但效果顯著優于已在農牧業生產中普遍應用的DCD[35]。

然而，上述BNIs物質的功能驗證是在單個歐洲亞硝化單胞菌（Nitrosomonas europaea）的純培養體系中進行的，在復雜土壤體系中的效果尚有待考證[32]。研究發現，臂形草[36]、水稻[33]和小麥多個品種[34]根系分泌物總組分BNI活性在純菌培養和土壤體系下的效果一致，這為后期從作物遺傳群體中篩選高BNI活性品種提供了重要依據。對于具體BNIs化學物質，來自臂形草的臂形草內酯由于化學標準品難獲得，尚無證據證明其在土壤中的效果[41]。高粱BNIs MHPP和高粱酮在中性土壤中表現出顯著的抑制效應[40，42，44]，而親水性物質櫻花素添加至土壤后卻失去了活性[40]。最新研究還證實，水稻源1,9-癸二醇對我國三種典型農田土壤（堿性潮土、中性水稻土和酸性紅壤）硝化活性均有顯著抑制作用[44]。未來單個BNIs物質的功能驗證建議考察其在不同土壤類型下的效果。

高粱根系分泌物中具有疏水性BNIs和親水性BNIs共存的現象，表明 BNIs 在作用方式上可能是空間分離的，疏水性、遷移能力弱的BNIs 在根際占主導，而親水性的物質能擴散至根系較遠的距離起作用[40]。此外，在土壤環境中具有獨特生化活性的不同BNIs 共存時，可能會發生疊加和協同作用[44-45]，這通常是純菌株體系下的生物活性研究忽略的。這一定程度上能解釋根系分泌物總組分在土壤中有BNI活性，而單個BNIs 無顯著效果的現象，可能與不同BNIs之間的時空協同效應有關，值得進一步關注。

2.2 生物硝化抑制劑的功能

植物產生BNIs是對硝化環境的特定響應，還是它們具有多種的生化功能，抑制硝化作用僅是巧合的副作用？事實上，植物產生和分泌的BNIs 具有很多氮代謝以外的功能，例如，濕身臂形草葉中的關鍵BNIs物質α-亞麻酸是植物細胞膜的主要成分[46]，高粱根系分泌的高粱酮是一種常見的化感物質和除草劑[47]。然而，O'Sullivan 等[33]認為如果化合物從根部主動分泌，而不是通過隨機過程（如凋落物分解和膜滲漏）釋放，更可能具有特定的BNI作用。他們發現在小麥不同品種組織與根系分泌物中BNIs的活性無顯著相關性，表明不同BNIs具有功能特異性和獨立性。Pariasca Tanaka等[34]也提出水稻分泌BNIs 是一個膜調節的過程而不是被動的非特異性組織滲漏過程。

根系BNIs的分泌通常受根際環境因子的特異誘導。研究發現，根系在接觸時有一個快速和明顯的BNIs分泌，而接觸后卻無響應。這個現象在濕身臂形草[41]，高粱[39]、小麥野生近緣物種大賴草[46]和水稻[48]中均加以了證實，增強了人們對BNIs具有特定功能的信心。而且，在高粱中發現這種誘導與根細胞中質膜（PM）H+-ATPases的活性及NH3同化有關[49-50]。此外，在水稻中發現根際良好的通氣情況有利于水稻分泌更多1,9-癸二醇（圖2），研究人員猜想根系分泌BNIs和根系泌氧這兩個對硝化作用一正一反的生物學過程可能共同調控根際硝化強度[48]，維持合理銨硝比，從而有利于水稻的氮素吸收和生長[51]。更有趣的是，在水稻中還發現根際亞硝化細菌的存在能特異刺激1,9-癸二醇的分泌（圖2），而反硝化細菌卻無此誘導效應[48]。而硝化細菌對1,9-癸二醇的特異誘導可能與微生物分泌的群體感應（QS）信號分子有關（陸玉芳等，未發表數據），進一步表明BNIs可能是植物-微生物根際互作中的特定化學信號物質。而且，19個水稻品種根系分泌物的BNI活性、1,9-癸二醇含量與銨態氮利用和偏好正相關[35]。上述研究均說明了植物根系感應到有利于硝化環境的因子后，能主動分泌BNIs的特定信號物質，調控根際硝化強度至適宜范圍內。

BNIs受環境特異誘導產生后，還存在著功能分配的特點，即BNIs在根際除了抑制微生物硝化過程外，還可能在土壤-植物-微生物互作系統起其他信號作用。以高粱分泌的BNIs 物質MHPP為例，中國科學院西雙版納熱帶植物園徐進研究員團隊發現了MHPP對根構型塑造的信號調控功能[52]。MHPP主要通過干擾一氧化氮/活性氧（NO/ROS）的生長素信號途徑，從而抑制Arabidopsis thaliana根尖分生區細胞分裂及主根伸長[52]。值得注意的是，的調控。如上文提到的，根際氮形態對BNIs的分泌具有重要影響，供能顯著促進植物分泌BNIs，而在環境中的植株幾乎不分泌BNIs[39，41，46，48]。此外，BNIs的分泌還受根際濃度的影響。在0～1 mmol·L-1時，高粱BNIs分泌量隨濃度增加而顯著增強，但當 NH+4大于1 mmol·L-1時，BNIs的分泌不再提高[50]，在水稻中也發現了類似的結果[48]。而且，最新的研究還發現，根際良好的通氣情況和硝化細菌能促進水稻分泌更多1,9-癸二醇，而反硝化細菌卻無此誘導效應[48]，這表明水稻根系BNIs 與硝化細菌之間存在著化學信號交流，但具體的信號互作機制尚缺乏研究。總體而言，BNIs似乎受到有利于硝化環境的影響因子誘導。

3 生物硝化抑制劑的分泌與作用機制

3.1 生物硝化抑制劑的分泌機制

在更微觀水平上，目前在BNIs從根系分泌的分子轉運機制方面也取得了一定進展。由于化學性質的差異，親水性BNIs和疏水性BNIs的相關分子機制有所不同。親水性BNIs 屬于陰離子物質，很可能通過陰離子通道釋放[49]。質膜H+-ATP酶對高粱親水性BNIs（MHPP）的分泌起了重要作用，且與根系細胞中吸收和同化密切相關[49-50]。最近通過對三種基因型高粱的分析，進一步證實根際（≤1.0 mmol·L-1）和低pH促進了根系質膜H+-ATP酶活性，并通過電壓依賴性的陰離子通道將帶負電荷的親水性BNIs轉運出質膜[55]。該研究同時也指出，高粱疏水性BNIs的分泌與根際pH關系不明顯，與高粱的基因型有關。Hybridsorgo基因型中疏水性BNIs的分泌不隨pH變化，但在PVK801和296B基因型中卻隨pH升高而增強，這表明高粱疏水性BNIs的分泌可能依賴于其他膜轉運過程。在水稻中，Zhang等[48]卻發現疏水性1,9-癸二醇的分泌同樣受根際低pH的誘導。這也是水作植物水稻相比旱作植物高粱的另一個分泌機制差異。

作為一種中性不帶電的脂肪醇類化合物，1,9-癸二醇在細胞中不易受到離子極化作用，可能會通過腺苷三磷酸結合盒（ABC）轉運蛋白或多藥和有毒化合物排出家族（MATE）轉運蛋白進行轉運。值得注意的是，ABC轉運蛋白已被證明可介導根系分泌物的釋放，如脂肪酸和黃酮類物質[56]，而1,9-癸二醇屬于脂肪酸衍生物，櫻花素與黃酮屬于同一化學物質類別。Badri等[57]利用擬南芥突變體材料直接證明脂肪酸類化合物3-羥基-順-4,6,8,10-四烯酸受ABC轉運蛋白轉運。這項研究同時也指出同一種化合物可由不同的轉運蛋白轉運，如反向轉運蛋白MATE轉運蛋白，而一些BNIs可能正是通過該蛋白家族成員釋放的，如黃酮類物質[58]。這兩類轉運蛋白是否真正參與了BNIs的分泌尚有待進一步證明，但已知的根系分泌物從植物細胞膜的轉運與釋放途徑能為BNIs的分泌機制提供理論參考。自由擴散和囊泡運輸是另外兩種常見的根系分泌物轉運途徑[56]。BNIs 物質分子量較大，具有電荷或極性，且很多BNIs（如高粱酮）具有潛在的細胞毒性，通過自由擴散轉運的可能性不大[8]。根系分泌的高分子量物質通常涉及囊泡運輸途徑，如高粱酮，通過超微結構分析在高粱根毛中發現細胞富含囊泡[59]。然而，高粱酮分泌的具體分子機制目前尚不清楚，是否還有其他BNIs如臂形草內酯，通過類似過程釋放也有待進一步研究。根據以上結果，本文提出了根系分泌BNIs由植物細胞膜釋放的機制假說（圖3）。

3.2 生物硝化抑制劑的作用機制

氨氧化是氨（NH3）氧化為亞硝酸鹽（NO2-）的生物學過程，被認為是硝化作用的限速步驟，由氨氧化細菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）、氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）和近年來新發現的全程硝化菌（complete ammonia oxidizer，comammox）主導。AOB 是高氮投入下的中性和堿性土壤環境中硝化作用的主要驅動者[60]，而AOA 由于對底物 NH3的親和力更高，在低氮和強酸性土壤環境中占主導[61]。基于基因組序列，comammox 似乎具有廣泛的代謝通用性，因此可能在多種環境中具有競爭力[62]。三者生態位的分化可能是由于它們在氨氧化途徑中的進化差異導致的[63]。氨單加氧酶（ammonia monooxygenase，AMO）和羥胺氧化還原酶（hydroxylamine oxidoreductase，HAO）是AOB、AOA和 Comammox 進行氨氧化的關鍵酶。AOB 的 AMO 三聚體膜結合蛋白由 amoA、amoB 和 amoC 3個亞基組成，其中 amoA 是 AMO的活性多肽位點。相對于AOB，AOA的氨氧化途徑尚不清晰，但基因組分析表明 AOA 具有編碼 3個亞基的獨特同源基因，且體內包含ORF38或amoX基因，可能會編碼第四個AMO亞基[64]；此外，AOA 的amoB 活性位點不保守，且缺少編碼 HAO基因。與AOB 相似，comammox 含有編碼 AMO 和 HAO 的amo和hao基因，但與AOB 不同的是，comammox僅有一個amoCAB啟動子區域，有 2 個其他的amoC基因，但總體上與 AOB 關系最密切。

目前在農業上廣泛使用的SNIs（DCD，nitrapyrin和DMPP），主要作為競爭性底物或金屬螯合劑結合amoB亞基的活性位點Cu起抑制作用[65]。Nitrapyrin還能作為amoB的替代底物，其產物將對氨氧化產生不可逆的影響[66]。但BNIs在生化層面的作用方式尚缺乏研究。在菌株純培養體系下，DCD和nitrapyrin僅能作用于AMO，卻對HAO無效果[39，41]，而大多數根系分泌的BNIs（臂形草內酯、高粱酮和櫻花素）卻能同時抑制Nitrosomonas europaeaAMO和HAO的活性[14，41]（表 2），包括Brachiaria humidicola地上部組織中發現的亞麻酸和亞油酸[38]。而且，臂形草、小麥近緣種和高粱的根系分泌物總組分也能同時抑制AMO和HAO的活性[39，41，45]。由此可見，BNIs可能較SNIs調控更多的硝化酶位點。

表2 主要生物硝化抑制劑和化學合成硝化抑制劑的作用機制Table 2 Mechanism of the main biological nitrification inhibitors and chemical nitrification inhibitors

在調控硝化微生物種類方面，化學合成硝化抑制劑DCD、 nitrapyrin 和DMPP大多數情況下僅對AOB有顯著抑制，對AOA基本無抑制作用[67]，這可能與AOA中amoB 亞基空間結構與AOB不同有關。大量研究表明，植物分泌BNIs 似乎能作用于更多的氨氧化微生物種類。例如，Subbarao 等[41]通過田間實驗發現，種植高BNI活性的臂形草能同時抑制AOA和AOB豐度。Byrnes等[68]和Nu?ez等[69]也陸續證明臂形草根系分泌物能作用于AOA。在BNIs 化學物質單獨添加的研究中，Nardi 等[44]證明BNIs 物質MHPP能同時抑制土壤AOB和AOA豐度。Lu 等[43]利用土壤培養實驗發現1,9-癸二醇添加能顯著抑制三種農田土壤潮土、水稻土和紅壤的AOA和AOBamoA基因豐度。Sarr 等[70]利用盆栽實驗發現高粱酮對土壤AOA豐度有顯著抑制。可見，BNIs具有同時抑制AOB和AOA的潛力。最新研究還明確了森林杉樹凋落物對硝化細菌（NOB）硝化桿菌屬（Nitrobacter）的調控作用[31]。除了AOB和AOA，后續研究建議同時關注comammox和NOB對BNIs的響應。

氨氧化微生物對不同類型硝化抑制劑敏感性的變化可能是由于AMO酶或氨氧化途徑的差異，以及細胞差異引起的[67]。鑒于AOA和comammox對硝化作用的重要貢獻，目前僅對AOB有效果的SNIs有待升級。大多數情況下DCD和DMPP 等SNIs僅在AOB占主導的中性和堿性土壤中發揮作用，而能同時調控AOA和AOB的BNIs潛在應用范圍將更廣泛，特別是在AOA占主導的酸性土壤上[43]，這是BNIs相比于SNIs的優勢之一。事實上，除了能抑制AOB，能更廣譜地調控AOA和comammox的BNIs在土壤中的效果可能會更加持久[16]。而且，BNIs（或BNIs混合物）能作用于不同的氨氧化途徑或氨氧化微生物種類，降低環境中硝化微生物對硝化抑制劑的抗性[16]。此外，BNIs在實際土壤-植物系統中還具有時空持續、精準釋放的特點，這是其優于SNIs的另一大優勢，而SNIs在土壤中有效期普遍較短。

4 生物硝化抑制劑在農業生產上的應用前景

BNIs環境友好，在農業上具有溫室氣體減排、氮素增效和作物豐產的潛力[14，72]，但目前尚缺乏BNIs的田間實際應用研究。研究人員多年來一直在探尋高效利用BNI功能的方法，其中種植高BNI活性的植物或直接覆蓋牧草組織是減少農業環境中N2O排放和提高氮素利用率的有效途徑之一。最經典的例子來自Subbarao等[41]哥倫比亞熱帶國際農業中心的3年田間實驗，與大豆或對照試驗小區相比，種植高BNI活性的臂形草試驗小區抑制了90%的N2O排放。Byrnes 等[68]將高 BNI 活性熱帶牧草B. humidicola（CIAT 679）組織覆蓋至土壤牛尿斑塊后，發現N2O排放較低BNI活性的牧草B. hybrid‘Mulato' 減少了60%。BNI的田間應用也逐漸拓展至蔬菜和糧食作物上。Zhang等[73]通過2年的蔬菜田間試驗，發現與BNI效應強的高粱輪作后，菜地N2O排放量降低了18.1%，高于Nitrapyrin處理下的16.5%，而且蔬菜的氮素利用率提高了6.7%，產量增加了10.3 t·hm-2·a-1。Karwat等[74]在牧草-玉米輪作田間實驗中發現種植高BNI活性牧草后顯著提高了后茬玉米的氮素利用率和產量。因此，這種高BNI活性植物（如牧草）與其他作物輪作的農藝措施有望向農民推廣應用。

此外，BNIs 物質作為新型的氮肥增效劑具有一定的產業化前景，然而這方面的研究正處于初級階段。在一項MHPP對秸稈和牛糞堆肥減排的野外研究中，人們發現0.6% MHPP 能減少N2O排放達62.39%[75]。Lu等[43]通過室內培養實驗提供了BNIs 1,9-癸二醇減少農田土壤N2O排放量的證據，明確1,9-癸二醇對三種農田土壤N2O平均減排為48%，特別是在酸性紅壤上高達90%，效果顯著優于DCD，這可能與1,9-癸二醇對AOA豐度和群落結構的有效抑制有關。Sun 等[35]結合19個水稻品種室內水培和15N同位素示蹤實驗，發現水稻BNI活性、1,9-癸二醇含量與水稻銨態氮吸收正相關，表明1,9-癸二醇有提高作物氮素利用的潛力。目前迫切需要研究1,9-癸二醇等BNIs物質的田間增效減排效果。

利用BNI性狀進行作物遺傳改良是提高作物氮素利用率的一條新途徑。近年來研究人員一直嘗試解析調控BNI活性和BNIs 分泌的關鍵基因。不同品種熱帶牧草、高粱、小麥和水稻的根系分泌物BNI活性存在顯著變異[33-34，42，45]。在高粱中，其分泌的BNIs物質高粱酮含量具有顯著的品種差異性[42]。在水稻中也發現19個水稻品種根系分泌的1,9-癸二醇與BNI活性呈顯著正相關[35]。這些結果為進一步通過遺傳學方法克隆控制BNI活性或BNIs 分泌的關鍵基因位點提供了理論依據。在糧食作物中，Subbarao等[45]在前期發現小麥的一個野生近緣物種L. racemosus具有較高的BNI能力基礎上，利用QTL技術將控制BNI活性的遺傳位點定位于Lr#n染色體，并通過遠緣雜交技術成功導入小麥栽培品種中。澳大利亞O'Sullivan團隊[33]在大量小麥地方品種中發現了BNI活性，增加了將BNI功能引入現代小麥品種的潛力。而且，該團隊還進一步發現在澳大利亞西南部廣泛生長的現代小麥品種Wyalkatchem具有中等的BNI活性，表明有必要將現代作物品種的測試范圍擴大，進一步簡化育種過程。在水稻中，研究人員也明確了現代水稻品種根系分泌物的BNI活性存在遺傳變異，并采用全基因組關聯分析（Genome wide association study，GWAS）確定了調控水稻BNI活性的遺傳位點（施衛明等，未發表數據）。

5 研究展望

盡管BNIs 的研究目前處于起步階段，但在過去的十年中已取得了相當多的進展：從臂形草、高粱和水稻根系分泌物中BNIs 物質的鑒定，到從現代小麥和水稻品種中發現了BNI活性，并揭示了BNI與氮素利用率的密切關系[35]。然而，為了更好地應對當今高投入條件下農業的氮素困境，滿足農業氮素管理的需求，有必要進一步開發BNIs在根內-根際-土壤系統中的重要功能，諸多關于BNIs 的基礎和應用研究值得深入：（1）繼續探索重要農作物的BNI功能和BNIs物質類型，并兼顧BNIs 物質之間的互作關系；（2）進一步探索已知BNIs 物質抑制硝化的作用機理，除了氨氧化微生物AOA與AOB，還應關注新發現的Comammox對BNIs的響應，包括其他氮轉化過程如反硝化，而BNIs引起的氨揮發潛在損失也有待評估；（3）隨著分子生物學GWAS等先進技術的應用，結合國內外廣泛的現代作物種質資源，未來將有望在調控BNI和BNIs分泌的關鍵基因及其分子遺傳機制方面取得突破，為作物遺傳育種提供新的思路與理論依據；（4）在農業生產上，應盡快開展BNIs的田間實驗，探究BNIs在不同土壤條件下和不同作物中的增效減排效果，同時嘗試開發基于BNIs的新型穩定性肥料產品，并在田間進行效果評估。

基于BNIs的新型肥料屬于環境友好型產品，未來有望部分替代化學合成硝化抑制劑，特別在有機農業中有較廣闊的應用前景，將對提升農產品品質安全，增強我國農產品的國際競爭力具有重大意義。同時，開發BNIs 技術和產品也將有利于提升農產品的經濟附加值，推動現代農業綠色、高效和可持續發展。