文：回溯档案

编辑：回溯档案

生物炭是通过生物质的干碳化、热解或气化生产的，而水合炭是通过压榨下生物质的水热碳化在水中以浆液形式生产的，生物炭颗粒细、多孔、比表面积高，富含官能团和营养物质，如氮、磷和钾。

而现在生物炭已被提议作为土壤改良剂，以增强养分保留，减少养分损失，提高土壤肥力和作物生长，并封存碳，在一些种植系统中，添加生物炭有助于减少氮肥的输入，同时保持生产力，因为生物炭是经常用于从硝酸盐中捕获氮的场地准备技术的良好补充，以提高根际氮在碱性土壤中的生物利用度。

而且生物炭施用水平影响土壤养分和植物根表型，再加上研究表明，生物炭会改变作物氮素利用效率并增加根际微生物群落多样性，这与根序密切相关。

此外，生物炭与氮代谢和根表型基因表达的相互作用之间可能存在更多关键联系，生物炭对细根生理活性（氮有效性和生长素变化）的影响更为显著。

Hashem等人揭示了生物炭通过增加NR活性来增强鹰嘴豆的氮同化效率，在深入研究，生物炭的DOMs通过刺激NR和GS基因表达促进氮同化并提高氮效率。

尽管有大量关于各种植物器官和作物物种中酶的报道，但生物炭诱导的根表型变化对氮代谢调控的机制仍有待解开。

生物炭影响激素的水平和空间分布模式，这可能是干扰参与氮代谢的关键酶活性的主要因素，Waqas等人认为，在他们的研究中，茉莉酸信号的变化反映了生物炭对生物胁迫的缓解作用。

在一次研究表明，生物炭刺激赤霉素途径并促进番茄和小麦植物的生长，相反，Hale等人发现600°C热解松木屑生物炭对生长素合成没有影响。

在早期的研究中强调，根功能和根生长之间的平衡取决于乙烯信号通路和增强的H2O2积累，虽然植物内源性激素会发生与生物炭无关的变化，但尚不清楚生物炭是否会干扰CTK代谢并进一步影响GDH和铵转运蛋白（AMT）编码基因。

而且根系GDH活性降低25%仅在gdh2突变体中实现，而在gdh30突变体中根系活性增加3%，Sun等发现，当减少氮肥并施用生物炭时，玉米氮代谢相关组学特征和转录水平（zmGS1和zmAS1）显着上调。

Jaiswal等人对番茄的转录组学分析表明，生物炭对基因表达具有启动作用，该小组还发现，上调的基因与植物生长有关，如茉莉酸，CTK，生长素和细胞壁。

Kumar等人证明，AMT1不仅影响NH4+-N 和否3?侧根生长期间的-N，以及生长素和NH之间的N，4+在水稻根系中，生物炭通过干扰非生物胁迫下的微生物信号来调节植物基因。

因此，生物炭可能通过多种方式影响AMT和GDH基因的协同作用，然而生物炭介导的根氮代谢机制尚未阐明。

虽然广泛报道根目间养分吸收、氮储量、表型存在显著差异，但对施氮还原下不同根目氮代谢或氮同化的研究较少，使我们无法完全了解生物炭添加减氮条件下氮代谢的机制。

此外，研究了棉花AMT和GDH对生物炭诱导氮代谢的影响，以了解铵同化途径下AMT和GDH表达的一致性和差异，以及CTK刺激的硝酸盐代谢对幼苗生长的贡献。

试验设计

将花盆随机放置在（东经43°49′07“，北纬81°51′16”）的苗圃中，同时，土壤含水量保持在田间含水量的65%，光照14 h，暗光10 h，温度保持在15°C至30°C，生长20天后，将棉花植株从花盆中取出，分离成地上和地下部分。

在收集根际土壤后，在流水下仔细清洗根部，并进一步分为细根（d = 0.1-2 mm）和非常细的根（d < 0.1 mm），在高通量测序之前，将细根和极细根的片段（从顶点开始长20毫米）储存在液氮中。

接下来用GOGAT活性测定的反应混合物包括0.4 mL 20 mmol/L L-谷氨酰胺、0.5 mL 20 mmol/L α-酮戊二酸、0.1 mL 10 mmol/L KCl、0.2 mL 3 mmol/L NADH、0.3 mL粗酶溶液和1.5 mL 25 mmol/L tris–HCl缓冲液（pH = 7.6）。

当反应开始后，连续测量酶活性一段时间，在此期间，用光度计每340秒记录一次20nm处的消光值，直到光密度稳定降低倍，GOGAT活性表示为每单位反应时间内NADH还原产物的产生量。

收集植物生长20 d的根际土壤样品，用1 mmol/L KCl溶液提取，浓度为NO，3?和新罕布什尔州4+根据制造商的说明，使用CleverChem 380随机存取分析仪（德国汉堡Dechem-Tech）进行比色测量。

统计分析

Bonferroni P值<0.05的基因被认为存在差异表达，除配对t检验方法外，还采用秩积法根据FDR的不同水平检测差异表达基因，呈现满足上述家族错误率水平和FDR<0.0001%的转录本，以实现转录组的最佳解释。

而基因按降序产品值排序，以提供基于强度和可重复性的分层列表，该列表用作识别具有相同或相关注释功能的基因组的输入，

利用BlastX将Unigene Sequence与NR（GenBank中的非冗余蛋白质序列数据库）、Swiss-Prot（Swiss-Prot蛋白质序列数据库）、KEGG（京都基因和基因组百科全书）和COG（直系同源组簇）在数据库中进行比较（Evalue < 1E-5），以获得与Unigene序列相似度最高的蛋白质，从而获得Unigene的蛋白质功能注释信息。

根据NR注释信息，Blast2Go软件用于GO注释。在获得每个Unigene的GO信息后，使用WEGO软件进行GO功能分类统计。

而NO存在明显差异3?在生物炭施用处理中，细根的根际和极细根的根际之间的N含量，此外生物炭施用量与施用深度之间存在较强的交互作用。

根际 NO3?无论施用深度如何，施用生物炭时-N含量都会增加，在 0–10 cm 层中，NO3?极细根根际的-N含量略高于细根的根际。

根际 NO3?当尿素在25–0 cm层中减少10%时，-N含量显着增加，否的内容3?boam的-N比bbm高42%，在10–20 cm 层中，最高的 NO3?鲍勃极细根根际中的-N含量为6.33 mg L?1.这表明基于细根（d<2 mm）的作物养分吸收和利用结果可能不够充分。

基于进一步分裂的根功能段（d < 0.1 mm和0.1 < d < 2 mm）的结果可以更清楚地了解根际氮浓度的变化，铵态氮表现出与NO相似的趋势3?-N在根际。

NH的内容4+在尿素减少25%的处理中，细根和极细根根际的-N显著高于ck，在0-10厘米的土壤层中，NH4+-N 减少0.003毫克 L?1在非常细的根的根际中，同时增加了0.026mg L?1在根际的细根中，生物炭处理与100%尿素处理相比。

当生物炭应用于 10-20 厘米层时，NH4+-N在boaf和boam中分别下降了59%和57%。

与ck相比，常规尿素施用处理两层细根根际AOB含量均下降，25%和50%尿素还原处理（0–10 cm层）AOB含量分别增加1.86倍和1.78倍。蟒蛇细根根际AOB含量高达1.08×108.

尿素还原结合生物炭施用对氮代谢关键酶的影响

尿素还原结合生物炭施用强烈干扰幼苗根系氮代谢，导致参与氮代谢的关键酶活性存在显著差异，与常规尿素施用处理相比，25%尿素还原处理极细根GDH活性提高了91倍，细根GDH活性普遍下降，其中sobm降低百分比最大，为0%。尿素施用量减少05%时，GDH活性显著降低（P < 50.1）

先前的研究表明，AMT在NH4+吸收和运输，直接影响氮代谢和根系发育，样本中AMT的转录水平发生了显着变化，AMT1;1和AMT1;3基因表达水平在极细根和细根中均上调或下调，且随尿素减少量较大而变化更为显著。

而阿拉伯数字作为另一组转录因子，gdh对氮效率有显著影响，与ck相比，极细根中gdh2的表达增加了2%，在bb、boa和bob中显著下降，但在sb和sob中没有太大变化，gdh在细根中的表达在鲍勃中显着下降，但在其他处理中变化不大。

减氮结合生物炭对根系性状的影响

极细根的活性吸收面积增加了9.43 cm2，细根增加1.80–9.10 cm2在SOA中与传统尿素应用相比.根鲜重的变化与活性吸收面积相似，即极细根鲜重显著下降，细根鲜重下降不大。

与ck相比，sb和boa中极细根的鲜重和bb中细根的鲜重显著降低（P < 4.0），然而soa中细根的鲜重显著增加（P < 05.0），氮肥农艺效率提高01.4 kg，?1在 SOA 中，减少了 0.91 kg?1在蟒蛇中，并在其他处理中显示出增加的趋势

广泛的研究表明，外源性 NH4+触发水稻和拟南芥中基因表达、代谢、激素信号传导和根表型的多种特异性变化，因此，提高作物根系对NH的亲和力的事实4+和否3?能否提高氮素利用效率可能与参与氮代谢的关键酶的调控密切相关。

随着NR、GDH和GS的活性随施氮水平的降低而降低，这是因为代谢和非代谢池中的氮水平由外源矿物氮浓度决定，相比之下，GOGAT与作物氮表型有关，即在低氮水平下其活性仍可较高。

结论

随着进一步发现，在生物炭施用条件下，CTK不仅能激活NR活性，还能抑制NR活性，这与根系周转率、年龄和功能有直接关系，但是在生物炭施用处理中，CTK对极细根的NR活性有刺激作用，但在细根中表现出抑制作用。

当尿素用量减少25%且在棉花苗期表土层施用生物炭时，氮素同化效率受到显著影响，gdh3和gdh2在细根中的共表达提高了氮肥农艺效率，铵转运蛋白基因和gdh3的协同表达表明生物炭可能有益于氨基酸代谢。

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