全球無機(jī)肥料投入和作物產(chǎn)量都在日益增加，同時(shí)土壤氮素淋失造成的水體污染也在日益嚴(yán)重。過度使用化肥會(huì)導(dǎo)致許多環(huán)境問題，了解包含植物、微生物和土壤的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于可持續(xù)農(nóng)業(yè)是必要的，所以迫切需要設(shè)計(jì)環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。但由于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)高度復(fù)雜，由植物、微生物和土壤之間相互作用的錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)組成，識(shí)別作物生產(chǎn)中的關(guān)鍵成分仍然是難以捉摸的。

近日，Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America在線發(fā)表了東京大學(xué)農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)研究生院Naoto Nihei教授和名古屋大學(xué)生物農(nóng)業(yè)科學(xué)研究生院Jun Kikuchi教授題為“Multi-omics analysis on an agroecosystem reveals the significant role of organic nitrogen to increase agricultural crop yield”的研究論文。該研究揭示了在不同管理措施下建立的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在土壤日曬（Soil Solarization，SS）條件下，有機(jī)氮是作物產(chǎn)量的關(guān)鍵組成部分。作為一種環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)方法，土壤日曬（SS）利用大自然取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能來殺滅土傳植物病原體和除草，而且據(jù)報(bào)道還可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，這種現(xiàn)象被稱為增加生長(zhǎng)反應(yīng)（Increase Growth Response，IGR）。

作者在一個(gè)裂區(qū)設(shè)計(jì)的農(nóng)田里種植了日本菠菜，主效應(yīng)為SS，次效應(yīng)為肥料，并由幾個(gè)環(huán)境傳感器檢測(cè)，構(gòu)建了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，SS降低了雜草覆蓋率，增加了植物地上部干重，證實(shí)了SS誘導(dǎo)的IGR效應(yīng)。

作者基于NMR的代謝組學(xué)，ICP-OES的離子學(xué)和細(xì)菌16S rRNA的基因擴(kuò)增片段測(cè)序等方法檢測(cè)SS誘導(dǎo)IGR的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤代謝、礦物質(zhì)和細(xì)菌圖譜的變化。表明SS誘導(dǎo)的IGR效應(yīng)是SS土壤中氮素的通量速率增加造成，有機(jī)氮在苗期短暫耗盡，但在收獲期最終富集。雖然在植物栽培過程中土壤細(xì)菌的剖面被破壞，但SS在門類水平上聚集并維持根際細(xì)菌的特定菌落剖面。

該研究中SS處理解釋了包括植物物候組、植物代謝組、土壤代謝組、土壤離子組和根際微生物組在內(nèi)的全組學(xué)數(shù)據(jù)的變化，利用整合的全組學(xué)創(chuàng)建了一個(gè)無符號(hào)的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)。檢測(cè)到土壤有機(jī)氮直接影響植物的生長(zhǎng)，是作物生產(chǎn)過程中SS誘導(dǎo)的關(guān)鍵成分。

作者通過綜合網(wǎng)絡(luò)分析確定的SS誘導(dǎo)的有機(jī)氮的應(yīng)用證實(shí)了自己的假設(shè)。通過建立體外無菌白菜變種試驗(yàn)，證明丙氨酸等有機(jī)氮作為氮源可以增加植物地上部生物量，丙氨酸不僅可以作為氮源，還可以作為一種生物活性化合物。作者在兩種不同類型的耕地上進(jìn)行了盆栽試驗(yàn)，重現(xiàn)丙氨酸在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的效果。數(shù)據(jù)表明，SS可能導(dǎo)致有機(jī)氮的積累，這些有機(jī)氮可能作為直接和間接氮源以及生物活性化合物來增加作物產(chǎn)量。

該研究在不同管理實(shí)踐下觀察到的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中復(fù)雜的相互作用中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)異質(zhì)的模塊結(jié)構(gòu)，編排了一個(gè)復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)或“黑匣子”。發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)潛在的解決方案，通過利用土壤日曬誘導(dǎo)的有機(jī)氮來提高作物生產(chǎn)的可持續(xù)性。利用多組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行的綜合網(wǎng)絡(luò)分析可以檢測(cè)土壤代謝物與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性。表明集成組學(xué)方法在檢測(cè)植物、微生物和土壤之間的多水平相互作用和識(shí)別農(nóng)業(yè)田間研究中的關(guān)鍵成分方面具有預(yù)測(cè)能力。