揭示有机氮对农作物增产的重要作用（2020.6.17 Plant Biotechnology Journal ）

全球无机肥料投入和作物产量都在日益增加，同时土壤氮素淋失造成的水体污染也在日益严重。过度使用化肥会导致许多环境问题，了解包含植物、微生物和土壤的农业生态系统对于可持续农业是必要的，所以迫切需要设计环境友好的农业生态系统。但由于农业生态系统高度复杂，由植物、微生物和土壤之间相互作用的错综复杂的网络组成，识别作物生产中的关键成分仍然是难以捉摸的。

近日，Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America在线发表了东京大学农业与生命科学研究生院Naoto Nihei教授和名古屋大学生物农业科学研究生院Jun Kikuchi教授题为“Multi-omics analysis on an agroecosystem reveals the significant role of organic nitrogen to increase agricultural crop yield”的研究论文。该研究揭示了在不同管理措施下建立的农业生态系统的网络结构，发现在土壤日晒（Soil Solarization，SS）条件下，有机氮是作物产量的关键组成部分。作为一种环境友好的农业方法，土壤日晒（SS）利用大自然取之不尽、用之不竭的太阳能来杀灭土传植物病原体和除草，而且据报道还可以促进植物生长，这种现象被称为增加生长反应（Increase Growth Response，IGR）。

作者在一个裂区设计的农田里种植了日本菠菜，主效应为SS，次效应为肥料，并由几个环境传感器检测，构建了农业生态系统。监测结果表明，SS降低了杂草覆盖率，增加了植物地上部干重，证实了SS诱导的IGR效应。

作者基于NMR的代謝组学，ICP-OES的离子学和细菌16S rRNA的基因扩增片段测序等方法检测SS诱导IGR的农业生态系统中土壤代谢、矿物质和细菌图谱的变化。表明SS诱导的IGR效应是SS土壤中氮素的通量速率增加造成，有机氮在苗期短暂耗尽，但在收获期最终富集。虽然在植物栽培过程中土壤细菌的剖面被破坏，但SS在门类水平上聚集并维持根际细菌的特定菌落剖面。

该研究中SS处理解释了包括植物物候组、植物代谢组、土壤代谢组、土壤离子组和根际微生物组在内的全组学数据的变化，利用整合的全组学创建了一个无符号的相关网络。检测到土壤有机氮直接影响植物的生长，是作物生产过程中SS诱导的关键成分。

作者通过综合网络分析确定的SS诱导的有机氮的应用证实了自己的假设。通过建立体外无菌白菜变种试验，证明丙氨酸等有机氮作为氮源可以增加植物地上部生物量，丙氨酸不仅可以作为氮源，还可以作为一种生物活性化合物。作者在两种不同类型的耕地上进行了盆栽试验，重现丙氨酸在农业领域的效果。数据表明，SS可能导致有机氮的积累，这些有机氮可能作为直接和间接氮源以及生物活性化合物来增加作物产量。

该研究在不同管理实践下观察到的农业生态系统中复杂的相互作用中发现了一个异质的模块结构，编排了一个复杂的农业生态系统或“黑匣子”。发现提供了一个潜在的解决方案，通过利用土壤日晒诱导的有机氮来提高作物生产的可持续性。利用多组学数据进行的综合网络分析可以检测土壤代谢物与作物产量之间的相关性。表明集成组学方法在检测植物、微生物和土壤之间的多水平相互作用和识别农业田间研究中的关键成分方面具有预测能力。