pg电子平台：西北农林科技大学生命学院王存教授课题组发现植物钙信号调控砷吸收的重要机制

　　近日，西北农林科技大学王存教授课题组在Plant Physiology上发表题为“Plasma-membrane-associated calcium signaling regulates arsenate tolerance in Arabidopsis”的研究论文，揭示了植物通过Ca2+信号调控砷吸收的新机制。西北农林科技大学生命科学学院博士刘逸松为论文第一作者，王存教授为论文通讯作者，浙江农林大学林业与生物技术学院的任慧敏为共同通讯作者。西北农林科技大学刘坤祥教授为该研究提供了植物活体钙示踪所需的突变株系。

　　砷（As）是一种具有重金属性质的类金属元素，矿物中的砷会随雨水溶解并渗透污染地下水，通过灌溉会使得砷在栽培作物中大量积累，危害食品安全。砷的代谢也会在植物中引起的活性氧积累，严重影响作物的生长发育，进而威胁农业安全生产。Ca2+作为真核生物中普遍存在的第二信使，在植物生长发育和各种逆境胁迫响应中发挥着重要作用。当植物感受到不同的环境刺激时，胞质内的Ca2+浓度会迅速变化，引起频率和幅度存在差异的钙信号。这些存在时空特异性的钙信号会被Ca2+感受器识别并解码，影响下游基因的表达或相关通道蛋白的活性，最终引起不同的植物特异性应答反应。然而目前关于植物钙信号参与砷胁迫响应的研究还十分薄弱，限制了利用基因编辑等生物技术手段提高作物遗传改良的潜在应用，急需加强。

　　课题组的研究利用植物活体钙示踪技术，发现砷可以激活植物根部的Ca2+信号（图1）。在此基础上，通过反向遗传学发现钙依赖蛋白激酶cpk23敲除突变体对砷胁迫显著敏感，而CPK23持续激活形式材料对砷胁迫显著耐受。通过IP-MS筛选及多种蛋白体外/体内互作方法，发现CPK23与质膜定位的As(V)/Pi转运蛋白PHT1;1互作，并磷酸化修饰PHT1;1的C末端结构域的Ser514和Ser520位点。进一步研究发现，Ser514位点的磷酸化修饰对PHT1;1的亚细胞定位至关重要，敲除CPK23会导致PHT1;1在砷胁迫下无法正常地从质膜上解离，进而导致植物吸收更多的砷。

　　综上所述，该研究发现了砷胁迫会激发植物细胞内Ca2+信号，揭示了Ca2+-CPK23-PHT1;1信号途径抑制砷吸收的重要机制（图2），拓宽了研究人员对植物耐受砷胁迫的理解，为解决土壤重金属污染提供了分子靶标和新思路。

　　该研究也得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、旱区作物逆境生物学国家重点实验室、亚热带森林培育国家重点实验室以及中国博士后自然科学基金的支持。

　　近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所土壤培肥与改良创新团队基于红壤旱地长期定位试验，揭示了施肥管理调控土壤氮素供应与损失途径，为优化农田氮肥管理提供理论支撑。相关研究成果发表在《农业、生态系统与环境（Agriculture, Ecosystems & Environment）》上。

　　土壤有机氮解聚过程是控制氮转化的限速步骤。近年来，越来越多研究发现微生物氮利用效率在土壤氮供应上发挥着重要作用。长期施肥会引起土壤理化性状和微生物群落结构变化，进而调控微生物氮利用效率及氮转化过程。然而，目前关于土壤氮素转化过程对长期施肥管理的响应机制尚不明晰。

　　该研究依托红壤旱地长期定位试验，借助同位素示踪技术，解析了施用对土壤初级氮矿化、铵固持和硝化速率的调控机制。与施用化肥相比，施有机肥缓解了土壤-微生物碳氮计量不平衡，增加了氮解聚酶活性并降低了微生物氮利用效率，从而提高了初级氮矿化速率。有机肥施用通过提高微生物生物量促进铵固持，降低了铵的可利用性，从而减缓了硝化过程。

　　Biological Reviews：华中农业大学在全球生物炭添加对土壤碳分解关键酶活性的影响方面取得新进展

　　生物炭是生物质在高温缺氧环境下热解的产物，生物炭添加被认为是增加土壤碳固持及减缓大气CO2浓度增高的重要途径。近几十年来，生物炭添加被广泛采用，预计到2050年有望从大气中固持0.3–2.0 Pg CO2。然而，尽管众多研究表明生物炭添加对土壤碳固持有促进作用，但酶调控的分解过程如何影响长期土壤碳固持仍未知。

　　研究人员通过Meta分析收集了全球五大洲130篇文章中的923组土壤碳分解酶数据，分析生物炭添加对有机碳分解过程的影响。此外，还搜集12194条相关生物炭添加试验设置（时间、材料等）、气候、土壤、生物属性等信息，探究生物炭添加影响土壤碳固持的机制。研究表明，生物炭添加提高了分解复杂多酚大分子的木质素酶活性（+7.1%），但降低了分解简单多糖的纤维素酶活性（-8.3%）（图1）。

　　混合效应模型结果表明，这两类关键酶的权衡（木质素:纤维素酶比）是预测生物炭添加下土壤碳固持效应的最重要因素，且与土壤碳固持效应之间呈显著负相关关系。此外，土壤木质素酶与纤维素酶之比随生物炭添加时间显著增加，导致土壤碳固持效应随生物炭添加时间下降（图2）。

　　研究结果从酶角度提供了生物炭影响长期土壤碳固持的新证据，强调如果不考虑微生物群落生理特征的长期适应性，将大大提高关于生物炭对土壤碳固持潜力的评估。pg电子平台

　　华中农业大学资源与环境学院冯娇副研究员为论文第一作者，刘玉荣教授和丹麦奥尔胡斯大学陈骥教授为论文共同通讯作者。新墨西哥大学Robert L. Sinsabaugh教授、托莱多大学Daryl L. Moorhead教授、奥尔胡斯大学Mathias Neumann Andersen教授、阿伯丁大学Pete Smith教授、华中农业大学黄巧云教授及硕士生余岱霖等也参与了该项研究。本研究得到了国家自然科学基金、欧盟“玛丽居里学者”等项目的资助。

　　Global Change Biology：南京农业大学资环学院生态系统生态学课题组在降水改变对土壤氮循环影响方面取得新进展

　　氧化亚氮（N2O）是一种强效温室气体，其全球增温潜势是二氧化碳（CO2）的300倍左右，对平流层臭氧具有强破坏性。在自然生态系统中，半干旱草地是非常重要的N2O排放源。气候变化，改变降水格局, 导致半干旱地区更加频繁的干湿交替，显著影响陆地生态系统土壤氮循环过程，进而调控土壤N2O排放。然而，降水减少和土壤干湿交替如何影响半干旱草地氮循环微生物和N2O 排放尚不清楚。

　　研究结果发现：适度的降水减少改变了植物群落组成，增加了根的生产和周转，促进氮的矿化，使土壤可利用氮含量增加，从而刺激降雨后土壤N2O的产生。分析N2O同位素位嗜值（Site preference, SP）发现，N2O的产生主要来自硝化作用过程, 而非通常认为的反硝化过程。同时，结合室内模拟土壤干湿交替试验，进一步验证，土壤经历长期降雨减少后，干湿交替会加速土壤的氮矿化速率，改变氨氧化细菌群落组成，增加了Nitrosospira和Nitrosovibrio相对丰度，从而促进土壤N2O的排放。这些结果说明未来降水格局改变情景下，适度的降水减少后，干湿交替活动可能会促进土壤氮循环，从而增加半干旱草地土壤N2O排放，对气候变化产生正反馈作用。

　　该研究成果由南京农业大学资环学院生态系统生态学实验室、宁夏云雾山国家级自然保护区管理局、中山大学、中国科学院地球环境研究所和北卡罗来纳州立大学合作完成。南京农业大学资环学院生态系统生态学实验室博士研究生张康成和仇云鹏博士为本文共同第一作者。仇云鹏博士和北卡罗来纳州立大学Shuijin Hu教授为共同通讯作者。中山大学陈怀海副教授和中国科学院地球环境研究所王益博士也参与了此研究。