PNAS | 推陈出新，多组学联合分析阐明有机氮在农业生产中的关键地位

来源：BioArt植物

施肥对农业生产的重要性是一个老生常谈的话题，在数千年的农业生产过程中，农业种植者主要通过施用农家肥促进作物产量。直到1980年，德国科学家李比希（Justus von Liebig）提出植物矿物营养的理论，认为无机氮是农业管理的核心，首次将施肥建立在科学的基础上。而这个理论最终通过哈伯-博世（Haber-Bosch）的工艺发明实现了化肥的工业化并改变了全球农业的发展【1】。然而近些年来，随着全球农业对化肥的过度依赖，一系列的农业生产和生态环境问题逐渐浮出水面，这促使科学家们开始重新审视环境友好型可持续农业的发展模式并尝试揭开由植物，微生物和土壤组成的复杂农业生态系统的神秘面纱。

土壤日晒（soil solarization, SS）是一种环保型的耕作措施，可以通过太阳能消灭土传病原菌并可以在不使用农药的前提下清除杂草。更为重要的是，土壤日晒还可以改善植物的生长状况，这种现象被称为增长反应（increased growth response, IGR），并且已经在多种土壤类型和作物中得到了验证【2,3】。土壤日晒引起的IGR可能与土壤养分的变化、病原菌的消除或类生长调节剂的释放等有关，但是迄今为止尚未确认土壤日晒引起的IGR现象的关键组分。

近日，来自日本的科学家在PNAS在线发表了一篇题为Multi-omics analysis on an agroecosystem reveals the significant role of organic nitrogen to increase agricultural crop yield的研究论文，结合代谢组学、离子组学、微生物组学及表型组学等方法，揭示了农业生态系统对不同耕作措施的响应特征并确定了土壤日晒促进作物产量形成的关键因素，阐明了有机氮在农业生产中的关键地位。

该研究首先在小松菜 (Japanese Mustard Spinach) 上进行了栽培试验，发现施肥类型不会影响小松菜生长，但是土壤日晒显著减少了杂草覆盖率并增加了小松菜生物量，验证了土壤日晒引起的IGR现象。此外，该研究还发现，土壤日晒不会影响小松菜的叶形和光合速率等表型特征，暗示土壤日晒条件下生长-分化权衡中的资源分配没有发生改变，而土壤中养分的释放和植物的养分吸收可能是引起植物生长变化的潜在因素。对土壤代谢的进一步分析发现，不同处理间的土壤无机氮浓度没有显著差异，但是土壤日晒处理会引起而土壤有机氮含量在播种期的短暂消耗以及在收获期的富集，这一发现颠覆了先前对无机氮在农业生产中核心地位的普遍认知。

此外，该研究还表明土壤日晒会在门水平上影响根际细菌特定群落的组装，比如phyla Firmicutes等植物生长促生菌在土壤日晒后会发生富集。

SS-induced IGR is detected in the crop grown on an agricultural field

该研究还通过多元组学数据的联合网络分析揭示了农业生态系统中的复杂相互作用，并鉴定出植物性状与土壤代谢物、矿物质、微生物等相关的多个网络模块。有趣的是，研究结果表明土壤有机氮是与植物产量高度相关的关键代谢产物。并且进一步的无菌植物体外试验和盆栽试验结果表明，特定的有机氮如丙氨酸和胆碱可以作为氮源或生物活性物质促进植物生物量的形成。

Integrated network identifies the rhizosphere microbes and organic nitrogen sources correlating with the crop yield
综上所述，该研究通过多元组学综合分析的方法揭示了不同管理模式下农业生态系统的网络结构变化并明确了有机氮是土壤日晒诱导的作物增长反应的关键因子。该研究结果在农业生态系统水平上为未来的可持续性农业发展提供了潜在解决方案。

参考文献【1】J. Antonkiewicz, J. Labetowicz, Chemical innovation in plant nutrition in a historical continuum from ancient Greece and Rome until modern times. Chem. Didact. Ecol. Metrol. 21, 2 9–43 (2017)【2】Y. Chen, J. Katan, Effect of solar heating of soils by transparent polyethylene mulching on their chemical properties. Soil Sci. 130, 271–277 (1980).【3】A. Gamliel, J. Katan, Eds., Soil Solarization: Theory and Practice, (The American Phyutopathological Society, 2017).