原創(chuàng) 科研求索的 浙江大學(xué) 浙江

土壤不只是作物扎根的地方，更是一個(gè)龐大且精密的生命網(wǎng)絡(luò)。作物的健康和產(chǎn)量，既取決于地上部分的生長(zhǎng)情況，也依賴于根系周圍的土壤環(huán)境和微生物群落。

北京時(shí)間8月15日，《科學(xué)》發(fā)表了浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院徐建明教授與胡凌飛研究員團(tuán)隊(duì)題為“Linalool-triggered plant-soil feedback drives defense adaptation in dense maize plantings”的研究成果。他們揭示了密植環(huán)境下的關(guān)鍵植物揮發(fā)物——芳樟醇，怎樣通過(guò)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”。該成果為解決密植帶來(lái)的生物障礙風(fēng)險(xiǎn)提供了新的思路，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)。浙江大學(xué)博士研究生郭東升、劉子琳，荷蘭皇家生態(tài)研究所Jos M. Raaijmakers為本文共同第一作者。

密植農(nóng)業(yè)的“甜蜜煩惱”

在全球糧食安全與可持續(xù)農(nóng)業(yè)面臨雙重挑戰(zhàn)的背景下，高密度種植（以下簡(jiǎn)稱密植）作為提高作物產(chǎn)量的重要手段，已廣泛應(yīng)用于玉米等糧食作物的現(xiàn)代栽培體系。

密植能帶來(lái)高產(chǎn)，但也有一個(gè)“甜蜜的煩惱”——生物障礙風(fēng)險(xiǎn)。作物之間距離更近，可能會(huì)加速病蟲害等障礙生物在田間的傳播，從而威脅作物產(chǎn)量和穩(wěn)定性。因此，在高密度環(huán)境中，作物如何主動(dòng)調(diào)控防御系統(tǒng)、提升群體適應(yīng)力，成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要科學(xué)問(wèn)題。

“在海南地區(qū)田間考察時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)密植田地里中心的玉米植株比外圍植株的抗蟲性和抗病性更強(qiáng)，這一現(xiàn)象有些意外。”徐建明介紹，團(tuán)隊(duì)成員帶著這個(gè)問(wèn)題回到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。在排除光照、根系分泌物等因素的影響后，他們將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會(huì)顯著積累，推測(cè)是因?yàn)樘锏貎?nèi)部空氣流動(dòng)相對(duì)較弱，更有利于揮發(fā)物積累。”胡凌飛介紹。他們發(fā)現(xiàn)這種香氣在冠層積累，會(huì)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。

玉米用“香氣”語(yǔ)言與土壤對(duì)話

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，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(guò)程形成了一個(gè)完整的“植物—土壤—植物”的調(diào)控閉環(huán)。

“芳樟醇可以由植物自身合成，具有令人愉悅的香氣，是一種環(huán)境友好的化合物。有趣的是，芳樟醇對(duì)土壤環(huán)境的影響具有跨個(gè)體、跨代次的效果?！毙旖髡f(shuō)，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(guò)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。

“從田間現(xiàn)象到土壤機(jī)制”的研究路徑

“土壤是植物生存的基礎(chǔ)，任何研究都不能脫離土壤這個(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(lái)?！焙栾w說(shuō)，團(tuán)隊(duì)帶著田間的問(wèn)題，不僅在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了作用機(jī)制，還回到農(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(guò)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)了土壤學(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。”胡凌飛介紹，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(guò)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了證明。徐建明展望道：“未來(lái)，根據(jù)這種植物 - 土壤反饋機(jī)制，我們有望通過(guò)調(diào)控芳樟醇釋放、定向激活根際微生物群落，或通過(guò)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?！?/p>

德國(guó)慕尼黑大學(xué)著名生物學(xué)家Claude Becker教授在同期《科學(xué)》上以Perspective文章“The scent of a crowd”對(duì)本研究進(jìn)行了深入點(diǎn)評(píng)。他認(rèn)為，本研究是連接地上植物信號(hào)與地下土壤微生物生態(tài)的重大突破，揭示了芳樟醇在密植條件下驅(qū)動(dòng)根際代謝、重塑微生物群落并增強(qiáng)植株防御的級(jí)聯(lián)效應(yīng)及關(guān)鍵作用。該研究因機(jī)制鏈條清晰、田間與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，以及在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上的廣闊前景而備受贊譽(yù)。

中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所張佳寶院士、中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心朱永官院士、瑞士伯爾尼大學(xué)Matthias Erb教授等多位科學(xué)家參與并指導(dǎo)了該項(xiàng)工作。

文字記者：查蒙

攝影記者：哲映

今日編輯：浙江大學(xué)融媒體中心學(xué)生記者團(tuán) 侯紀(jì)元 程徐航 | 章舒帆

責(zé)任編輯：章舒帆 周亦穎

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原標(biāo)題：《葉片和土壤有香味“密語(yǔ)”？浙大團(tuán)隊(duì)破譯植物生存智慧》

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