土壤反硝化作用是陆地生态系统中活性氮流失的主要过程之一，不仅降低植物氮素利用效率，还促进温室气体氧化亚氮(N2O)排放，成为亟需调控的重要土壤氮循环过程。长期以来，研究者都认为植物根系分泌的代谢物作为可利用碳源会促进土壤反硝化作用，进而加剧土壤活性氮流失。仅有相当有限的研究报道了一些植物可以通过根系分泌次生代谢物抑制反硝化，以提高自身氮素获取效率并降低N2O排放，这种现象被称为生物反硝化抑制(BDI)。然而，BDI能否作为一种植物缓解根际土壤氮损失的策略在不同植物物种间广泛存在尚不清楚，不同植物通过根系代谢物驱动BDI的潜在作用机制尚不明晰。
基于此，为了系统探究不同植物物种根系代谢物对土壤反硝化的影响，中国科学院沈阳应用生态研究所稳定同位素组联合英国班戈大学等单位，构建了覆盖100种植物物种的大规模代谢物收集-土壤培养筛选体系，系统评估了这些植物对土壤反硝化潜力、微生物活性及功能基因表达的影响。研究发现，有21种植物根系代谢物可以在短期土壤培养内显著抑制土壤反硝化，其中20种为首次报道具有BDI潜力。进一步的长期土壤培养实验表明，BDI植物的根系代谢物可以显著降低反硝化功能基因(nirK，nirS?和nosZ)丰度，特异性抑制土壤反硝化微生物群落活性并缓解土壤硝酸盐流失。此外，对BDI植物根系代谢物的非靶向代谢组学分析揭示了一系列潜在的BDI活性次生代谢物，特别是一些类黄酮和萜类化合物，在具有强BDI效应的菖蒲属植物(Acorus?spp.)中被显著富集。
该研究首次揭示了植物通过根系代谢物调控土壤反硝化的广泛性和多样性机制，提出植物可能普遍具有通过抑制反硝化活性来提高自身氮素利用效率的生态适应策略。本研究为开发基于植物源天然产物的氮素管理策略、提高农田氮肥利用效率及减缓N2O排放提供了新的理论基础和植物材料资源。
研究结果以“Exploiter no more: root metabolites driving denitrification inhibition from diverse plants”为题发表在Soil Biology and Biochemistry期刊。中国科学院沈阳应用生态研究所-英国班戈大学联合培养博士生李金澄为第一作者，中国科学院沈阳应用生态研究所吴迪研究员为通讯作者，Roland Bol教授(德国于利希研究中心)、Davey Jones教授(英国班戈大学)、Dave?Chadwick教授(英国班戈大学)、巨晓棠教授(海南大学)、孔垂华教授(中国农业大学)，方运霆研究员(中国科学院沈阳应用生态所)为本研究的共同合作者。该研究得到了国家重点发展计划(2023YFD1500301)和国家自然科学基金(基金号：42077037、41907024)等资助。
论文链接：DOI: 10.1016/j.soilbio.2025.109898
