定殖于植物根系的非共生固氮菌中，大多数固定的氮素用于支持细菌自身生长，而不是释放到根际供给植物利用，因此，增加非共生固氮菌氮素的释放能力是生物固氮研究领域的重要科学问题。在固氮菌中，N₂被固氮酶还原为可被利用的NH4+，游离的NH4+与谷氨酸被谷氨酰胺合成酶催化生成氮代谢调控分子谷氨酰胺，固氮菌中的氮代谢调控分子感知到高浓度的抑制固氮酶的表达与活性进而避免能量的浪费（图2）［14， 44， 45］。因此，破坏以谷氨酰胺为代谢传感器的氮代谢调控通路，将生物固氮与铵同化解耦，是在各种固氮菌中增强氨外泌能力的一种通用策略［46， 47］。细菌中，谷氨酰胺合成酶（GS）的活性受腺苷酰转移酶（GlnE）可逆的腺苷酰化修饰调节，GS腺苷酰化后失活，GlnE的可逆腺苷酰化修饰受到响应细胞内氮状态的调控蛋白PII（GlnB）和PZ（GlnZ）的调控［48-50］。PII和PZ通过与组氨酸激酶NtrB相互作用，调控应答调控蛋白NtrC的磷酸化状态及其活性，磷酸化的NtrC作为核心转录激活因子，直接调控包括glnA（谷氨酰胺合成酶编码基因）和nifA（固氮全局转录调控因子NifA编码基因）在内的众多基因，NifA激活固氮酶复合体结构基因nifHDK及众多附属nif基因的转录［51， 52］。此外，PII和PZ通过与氨转运蛋白AmtB和固氮酶ADP核糖基水解酶（DraG）互作，参与调控固氮酶的ADP-核糖基化修饰、铵离子感应及潜在转运过程［53-55］。DraG与固氮酶ADP核糖基转移酶（DraT）功能拮抗，DraT通过催化NifH的ADP-核糖基化使其失活，而DraG可逆转该修饰。PII和PZ的活性在一定程度上受其尿苷酰化状态动态调节，双功能酶GlnD响应胞内氮/碳/能量水平调控PII和PZ的尿苷酰化/去尿苷酰化，氮饥饿条件下PII和PZ被GlnD尿苷酰化［56］。相关研究表明，A. vinelandii的glnA突变体和茎瘤固氮根瘤菌（Azorhizobium caulinodans）的glnB或glnK（编码氮代谢调控蛋白）突变体中，GS活性降低导致铵的释放［57， 58］。GS的活性同时受到单向腺苷酸转移酶（uATs）的抑制，在巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）和茎瘤固氮根瘤菌ORS571（Azorhizobium caulinodans ORS571）中增加单向腺苷酸转移酶的表达增强了它们的铵外泌能力［59-61］。林敏团队的研究表明，删除施氏假单胞菌A1501（Pseudomonas stutzeri A1501）中铵转运蛋白AmtB将导致铵外泌增加［62］。固氮菌中，在高浓度NH4+条件下，负调控蛋白NifL激活后抑制转录因子NifA的表达，进而阻遏固氮酶的活性，删除A. vinelandii和P. stutzeri A1501中的nifL基因会改善菌株的铵外泌能力，增强菌株在有氧条件下nif基因的表达［62-64］。陈三凤团队于2022年发表的工作中，揭示了固氮类芽孢杆菌（Paenibacillus sabinae）T27通过丙氨酸脱氢酶合成丙氨酸抑制谷氨酰胺合成酶活性，降低细胞内谷氨酰胺水平，进而调控固氮基因表达的新机制，为解决高浓度NH4+抑制生物固氮的难题提供了新思路［65］。上述的研究聚焦于固氮菌铵耐受和铵外泌能力的增强，为非共生固氮菌的工程应用提供了理论基础与技术支持。然而，固氮菌的生物固氮是极为耗能的过程，在足够铵外泌的基础上进行生物固氮与铵外泌活动的精细化调控，有助于实现固氮菌的碳-氮平衡与能量的高效利用。2017年，Rafael Ambrosio等通过外源启动子调控A. vinelandii中glnA的表达，在促进植物的生长的同时实现了A. vinelandii可控的氨排泄［57］。最新的研究中，王忆平团队将基因glnA的第95号氨基酸位点由脯氨酸突变为亮氨酸后，使得胞内谷氨酰胺的合成表现为温度敏感型，最终导致氮调控的基因和固氮酶也表达为温度敏感型，开发出温度介导的氨排泄控制系统［66］。这种温度介导的氨分泌开关机制使固氮菌在为宿主提供氮素的条件下满足了自身生物量增长的需求，较恒定的氨排泄工程改造有更高的促生效率，为进一步改善植物共生固氮提供了思路。