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【新華網(wǎng)】科學(xué)家揭秘植物之間如何“交流”

媒體：新華網(wǎng)、中國科學(xué)院、中國科學(xué)院南京土壤作者：王玨玢
專業(yè)號(hào)：紅樹林基金會(huì) 2020/4/6 14:58:41

看上去“安靜生長”的植物，在看不見的地下世界里卻有豐富多彩的“交流”活動(dòng)。一項(xiàng)由中、德、英三國學(xué)者共同參與的最新研究發(fā)現(xiàn)，相鄰植物可以通過根部釋放的化學(xué)物質(zhì)互相“對話”。這種由化學(xué)物質(zhì)主導(dǎo)的“交流”，可以改變植物生長的微環(huán)境，調(diào)節(jié)養(yǎng)分供給，甚至影響產(chǎn)量。

　　領(lǐng)導(dǎo)這一研究的中科院南京土壤研究所研究員孫波16日向記者介紹，植物根系從土壤中汲取生長所需的養(yǎng)分，同時(shí)也釋放化學(xué)物質(zhì)。這些化學(xué)物質(zhì)改變了原本土壤里的水、氣、生物等微環(huán)境，這些改變很可能對周圍其他植物也造成影響。此次，科研團(tuán)隊(duì)選取了中國南方耕地經(jīng)常相鄰種植的花生和木薯，來具體研究植物間的化學(xué)信號(hào)怎樣相互影響。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，木薯根部會(huì)向土壤中釋放出一系列液態(tài)和氣態(tài)的氰化物，鄰近的花生感知到這些物質(zhì)，會(huì)相應(yīng)釋放出氣態(tài)分子乙烯。在乙烯影響下，花生植株會(huì)主動(dòng)縮減地上部分的繁茂程度，優(yōu)先保證果實(shí)的養(yǎng)分供給。同時(shí)，乙烯還能作為“召集信號(hào)”，聚集土壤中的有益微生物到花生根部，提高氮、磷等有效養(yǎng)分的吸收率，以進(jìn)一步提高花生果實(shí)的飽滿程度和產(chǎn)量。

　　“這項(xiàng)研究告訴我們，植物根部釋放的化學(xué)物質(zhì)，或許是不同植物間‘交流對話’的關(guān)鍵。搞清這些‘化學(xué)對話’如何進(jìn)行，就有機(jī)會(huì)解開更多植物的‘生長密碼’，也幫助人類更加科學(xué)有效地種植農(nóng)作物。”孫波說。

　　相關(guān)研究成果已于近日發(fā)表在微生物領(lǐng)域權(quán)威刊物《微生物組》上。

南京土壤所在紅壤花生-木薯根際互作調(diào)控養(yǎng)分利用的微生物信號(hào)機(jī)制方面取得進(jìn)展

我國人均耕地資源不足，建立合理的作物間作體系可以提高耕地利用效率，增加單位面積產(chǎn)量，但需要發(fā)揮不同作物在光能和養(yǎng)分利用上的互補(bǔ)優(yōu)勢，減少作物間競爭的不利影響。不同作物根系構(gòu)型不同，吸收養(yǎng)分的類型及吸收的時(shí)間和空間均有差異，如何調(diào)控并強(qiáng)化間作系統(tǒng)中作物間相互促進(jìn)作用是提高養(yǎng)分利用率的關(guān)鍵。根際是作物吸收養(yǎng)分的門戶，根系-土壤-微生物相互作用影響了養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、吸收和作物生長，根系分泌物影響根際環(huán)境條件（pH、O2分壓、碳源等）從而影響根際微生物組成及其對養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，根系釋放的信號(hào)啟動(dòng)作物間化學(xué)通訊識(shí)別過程從而影響作物生長-防御權(quán)衡策略。已有研究從植物生理學(xué)角度揭示了乙烯等脅迫誘導(dǎo)型激素在信號(hào)識(shí)別和應(yīng)答鄰近植物種間競爭方面的作用機(jī)制，但是關(guān)于這類信號(hào)在根系-土壤-微生物界面上的互作機(jī)制仍不清晰，制約了建立有效措施調(diào)控種間植物競爭、提升間作系統(tǒng)作物養(yǎng)分利用率。

花生-木薯是南方紅壤區(qū)重要的間作系統(tǒng)，針對調(diào)控花生和木薯競爭促進(jìn)養(yǎng)分利用問題，南京土壤研究所孫波課題組基于紅壤旱地花生連作、花生-木薯間作田間試驗(yàn)，結(jié)合盆栽、水培實(shí)驗(yàn)和外源乙烯添加實(shí)驗(yàn)，利用高通量測序、激素組分析等方法，研究了種間植物（花生與木薯）地下部化學(xué)信號(hào)識(shí)別途徑，揭示了花生信號(hào)調(diào)控根際微生物的競爭性防御生存策略。研究發(fā)現(xiàn)鄰近植物木薯產(chǎn)生的氰化物可誘導(dǎo)間作花生根系乙烯釋放。該信號(hào)分子一方面調(diào)控花生生理應(yīng)答；另一方面可經(jīng)根部釋放重塑根際微生物群落，影響作物養(yǎng)分吸收。研究結(jié)果表明：花生與木薯間作，木薯根部的氰化物促進(jìn)花生根部乙烯前體積累，上調(diào)乙烯相關(guān)基因表達(dá)，激發(fā)乙烯釋放。這種氣體分子以減少花生植株地上生物量為代價(jià)，調(diào)控花生根際微生物網(wǎng)絡(luò)中的核心物種（放線菌門Catenulispora sp.）豐度，重塑微生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。新構(gòu)建的微生物組加速根際有機(jī)氮磷礦化，為花生地下部提供可利用氮磷養(yǎng)分，從而提高花生子代有效繁殖能力，進(jìn)一步提高花生在間作模式下的生態(tài)適應(yīng)性。該研究揭示了種間植物競爭下植物根系與微生物間基于信號(hào)的“化學(xué)對話”機(jī)制，提出建立合作關(guān)系以改善植物生態(tài)適應(yīng)性的調(diào)控原理，為在酸化貧瘠紅壤旱地上建立合理的花生-木薯間作管理措施、提高養(yǎng)分利用率和產(chǎn)出率提供了理論基礎(chǔ)。

以上研究成果發(fā)表在Microbiome上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金，江蘇省自然科學(xué)基金資助。

文章鏈接

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-019-0775-6

紅壤花生-木薯間作系統(tǒng)中化學(xué)信號(hào)調(diào)控根際微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的機(jī)制

來源：新華網(wǎng)、中國科學(xué)院、中國科學(xué)院南京土壤研究所

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