構(gòu)建跨代防御的“地下長(zhǎng)城”機(jī)制 浙大團(tuán)隊(duì)破譯植物生存智慧
浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院教授徐建明與胡凌飛研究員團(tuán)隊(duì)等揭示了密植環(huán)境下的關(guān)鍵植物揮發(fā)物——芳樟醇，如何通過改變土壤化學(xué)和微生物組成，構(gòu)建跨代防御的“地下長(zhǎng)城”。該成果為破解密植帶來的生物障礙風(fēng)險(xiǎn)提供了新思路，也為綠色農(nóng)業(yè)和高效生產(chǎn)模式的構(gòu)建奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。在全球糧食安全與可持續(xù)農(nóng)業(yè)的雙重挑戰(zhàn)下，高密度種植(以下簡(jiǎn)稱密植)作為提升作物產(chǎn)量的重要手段，已被廣泛應(yīng)用于玉米等糧食作物的現(xiàn)代栽培體系中。密植在高產(chǎn)的同時(shí)，也帶來了一個(gè)“甜蜜的煩惱”——生物障礙風(fēng)險(xiǎn)：作物之間更近的距離可能加速病蟲害等障礙生物在田間快速傳播，從而威脅作物產(chǎn)量與穩(wěn)定性。
“在海南地區(qū)田間考察時(shí)，我們注意到密植田地里中心的玉米植株比外圍植株展現(xiàn)出更強(qiáng)的抗蟲性抗病性，這個(gè)現(xiàn)象有些出乎意料。”徐建明介紹，團(tuán)隊(duì)成員們帶著這個(gè)問題回到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，準(zhǔn)備一探究竟。在逐一排除光照、根系分泌物等因素影響后，他們的目光聚焦到玉米葉片持續(xù)釋放的一種天然揮發(fā)物——芳樟醇。
“我們發(fā)現(xiàn)芳樟醇在密植條件下顯著積累，推測(cè)是因?yàn)樵谔锏貎?nèi)部空氣流動(dòng)相對(duì)較弱，更有利于揮發(fā)物積累�！焙栾w介紹。他們發(fā)現(xiàn)這種香氣在冠層積累，從而觸發(fā)鄰近植株根系茉莉酸信號(hào)，促進(jìn)根系分泌一種名為HDMBOA-Glc的苯并噁秦的化合物到根際，并顯著富集有益的根際細(xì)菌，重塑土壤微生物群落。
進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在芳樟醇的作用下，土壤中有益微生物菌群的富集能進(jìn)一步刺激植物中水楊酸的合成并激活其信號(hào)通路，使植物防御能力顯著增強(qiáng)，這一過程形成了一個(gè)完整的“植物—土壤—植物”的調(diào)控閉環(huán)。
“芳樟醇植物自身可以合成，具有令人愉悅的香氣，是一種環(huán)境友好的化合物。有意思的是，芳樟醇對(duì)于土壤環(huán)境的影響具有跨個(gè)體、跨代次的效果�！毙旖髡f，土壤的“記憶效應(yīng)”讓這種微生物介導(dǎo)的防御能力可以跨代延續(xù)——即便在輪作中，下一季作物依舊能受益于前茬植物留下的有益微生物群落。
通過外源少量施加芳樟醇，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)后續(xù)作物的根結(jié)線蟲、真菌病害和病毒病害發(fā)生率顯著下降，秋行軍蟲取食量和生長(zhǎng)速率降低約10%~30%。這表明，芳樟醇不僅是作物自我免疫的天然“補(bǔ)劑”，更是調(diào)控土壤微生物、塑造健康土壤生態(tài)的關(guān)鍵信號(hào)分子。
“土壤是植物們生存的基礎(chǔ)，任何研究都不能脫離的土壤這個(gè)載體，所以我們團(tuán)隊(duì)一直致力于把土壤學(xué)的理論技術(shù)與作物健康研究緊密結(jié)合起來。”胡凌飛說，團(tuán)隊(duì)帶著田間的問題，不僅在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了作用機(jī)制，又回到農(nóng)田，驗(yàn)證了密植對(duì)作物生長(zhǎng)與防御的雙重影響。
“團(tuán)隊(duì)通過整合微生物組學(xué)、代謝組學(xué)、分子生物學(xué)等多學(xué)科方法，有力地推動(dòng)土壤學(xué)、植物保護(hù)學(xué)、微生物學(xué)等多學(xué)科的深度交叉融合�！焙栾w介紹，研究不僅采用突變體與代謝標(biāo)志物精準(zhǔn)驗(yàn)證關(guān)鍵信號(hào)通路，還通過分離代表性根際菌株進(jìn)行功能驗(yàn)證，厘清了土壤微生物在生物障礙消減中的關(guān)鍵作用。
將植物揮發(fā)物作為密植環(huán)境下抗性育種與田間管理的重要調(diào)控因子的設(shè)想，也在大麥等作物上得到證明。徐建明展望道：“未來，根據(jù)這種植物—土壤反饋機(jī)制，我們有望通過調(diào)控芳樟醇釋放、定向激活根際微生物群落，或通過微生物菌劑形式加強(qiáng)作物防御能力，在不依賴農(nóng)藥的情況下提升作物群體健康度和生產(chǎn)穩(wěn)定性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，具有廣闊的推廣前景。”
