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。一項由中、德、英三國學者共同參與的最新研究發現，相鄰植物可以通過根部釋放的化學物質互相“對話”。這種由化學物質主導的“交流”，可以改變植物生長的微環境，調節養分供給，甚至影響產量。
領導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分，同時也釋放化學物質。這些化學物質改變了原本土壤里的水、氣、生物等微環境，這些改變很可能對周圍其他植物也造成影響。此次，科研團隊選取了中國南方耕地經常相鄰種植的花生和木薯，來具體研究植物間的化學信號怎樣相互影響。 研究人員發現，木薯根部會向土壤中釋放出一系列液態和氣態的氰化物，鄰近的花生感知到這些物質，會相應釋放出氣態分子乙烯。在乙烯影響下，花生植株會主動縮減地上部分的繁茂程度，優先保證果實的養分供給。同時，乙烯還能作為“召集信號”，聚集土壤中的有益微生物到花生根部，提高氮、磷等有效養分的吸收率，以進一步提高花生果實的飽滿程度和產量。 “這項研究告訴我們，植物根部釋放的化學物質，或許是不同植物間‘交流對話’的關鍵。搞清這些‘化學對話’如何進行，就有機會解開更多植物的‘生長密碼’，也幫助人類更加科學有效地種植農作物。”孫波說。 相關研究成果已于近日發表在微生物領域權威刊物《微生物組》上。 南京土壤所在紅壤花生-木薯根際互作調控養分利用的微生物信號機制方面取得進展
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，增加單位面積產量，但需要發揮不同作物在光能和養分利用上的互補優勢，減少作物間競爭的不利影響。不同作物根系構型不同，吸收養分的類型及吸收的時間和空間均有差異，如何調控并強化間作系統中作物間相互促進作用是提高養分利用率的關鍵。根際是作物吸收養分的門戶，根系-土壤-微生物相互作用影響了養分轉化、吸收和作物生長，根系分泌物影響根際環境條件（pH、O2分壓、碳源等）從而影響根際微生物組成及其對養分的轉化，根系釋放的信號啟動作物間化學通訊識別過程從而影響作物生長-防御權衡策略。已有研究從植物生理學角度揭示了乙烯等脅迫誘導型激素在信號識別和應答鄰近植物種間競爭方面的作用機制，但是關于這類信號在根系-土壤-微生物界面上的互作機制仍不清晰，制約了建立有效措施調控種間植物競爭、提升間作系統作物養分利用率。 花生-木薯是南方紅壤區重要的間作系統，針對調控花生和木薯競爭促進養分利用問題，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，結合盆栽、水培實驗和外源乙烯添加實驗，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）地下部化學信號識別途徑，揭示了花生信號調控根際微生物的競爭性防御生存策略。研究發現鄰近植物木薯產生的氰化物可誘導間作花生根系乙烯釋放。該信號分子一方面調控花生生理應答；另一方面可經根部釋放重塑根際微生物群落，影響作物養分吸收。研究結果表明：花生與木薯間作，木薯根部的氰化物促進花生根部乙烯前體積累，上調乙烯相關基因表達，激發乙烯釋放。這種氣體分子以減少花生植株地上生物量為代價，調控花生根際微生物網絡中的核心物種（放線菌門Catenulispora sp.）豐度，重塑微生物網絡結構。新構建的微生物組加速根際有機氮磷礦化，為花生地下部提供可利用氮磷養分，從而提高花生子代有效繁殖能力，進一步提高花生在間作模式下的生態適應性。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的“化學對話”機制，提出建立合作關系以改善植物生態適應性的調控原理，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、提高養分利用率和產出率提供了理論基礎。 以上研究成果發表在Microbiome上。研究工作得到國家重點研發項目，國家自然科學基金，江蘇省自然科學基金資助。 https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-019-0775-6
紅壤花生-木薯間作系統中化學信號調控根際微生物群落結構和功能的機制
來源：新華網、中國科學院 、中國科學院南京土壤研究所
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