客观日本

农业生态数字化,理研与福岛大学合作构筑植物—微生物—土壤复杂关系网络

2020年06月17日 农林牧渔

日本理化学研究所(简称“理研”)与福岛大学食农学类农业生产学课程的二瓶直登副教授等人组成的联合研究团队,成功实现了农业生态系统中植物-微生物-土壤复杂关系的数字化,由此可以科学地将熟练农民的经验传承下来,实现高级农作物生产技术可视化。

这项研究成果表明,通过用有机氮取代化肥,能实现农作物的可持续生产,有望为实现面向环境友好型新农业的可持续农作物生产做出贡献。

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使植物-微生物-土壤的复杂关系实现数字化

联合研究团队尝试通过在农业现场实施多组学分析,来实现农业生态系统的数字化。由此发现,在农业生态系统中,由农作物的特定性状(产量和品质等)以及特定微生物种类和土壤成分构成的多个模块组合形成了网络。另外还发现,通过有机耕作法之一的太阳热处理在植物根际形成了特征性菌群,而且土壤中积累的有机氮会促进农作物的生长。此外,在确定的土壤有机氮中,丙氨酸和胆碱被证明可作为氮源和生理活性物质促进农作物生长。

研究方法与成果

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图1:通过实施多组学分析使农业生态系统实现数字化
(1)将大棚内分成不同的区域,用不同的耕作法种植了日本油菜。(2)从各试验区采集农作物和土壤的样本后,对各区域的农作物、微生物和土壤分别实施了多组学分析。通过用整合了所有采集数据的数据矩阵实施相关网络分析,成功地使农业生态系统实现数字化。分析发现,在农业生态系统中,由农作物的性状以及特定菌群和土壤成分构成的多个模块组合形成了网络。尤其是通过此次分析发现,包含农作物产量的模块与包含土壤中的无机氮的模块不同。

联合研究团队着眼于千叶县八街市的熟练农户正在实践的有机耕作法。这种耕作法对土壤进行了太阳热处理,经确认,此前进行过太阳热处理的大棚实现了灭菌、除草和促进农作物生长的效果,不过一直不清楚具体原因。因此,研究团队根据施用化肥还是堆肥、是否实施太阳热处理,在同一个大棚内设置了采用上述不同耕作法的4块试验区,在各试验区种植了日本油菜(图1-1)。

试验发现,土壤中设置的电位传感器显示,太阳热处理会大幅改变土壤的物理环境(本次试验实施了5周,将每日土壤的温度合计在一起超过了1000℃),无论施用化肥还是堆肥,日本油菜的产量都增至约1.7倍。不过,日本油菜的其他性状(植物地上部分的总代谢产物、叶子形状、光合活性、含糖量、酸度、叶子的色素、病害、味道)未发现显著差异,由此确认,太阳热处理能在保持同等品质的基础上,增加日本油菜的产量。另外,第二年也确认了太阳热处理促进生长的效果。

为了确认土壤的太阳热处理对构成农业生态系统的植物-微生物-土壤带来了什么变化,联合研究团队首先利用核磁共振(NMR)法,分析了耕种前和收获时的土壤代谢物。利用检测出来的代谢物数据对主要成分进行分析发现,试验区之间检测出了明显的差异,因此,即使是在不同物理位置设置的试验区,也分别反映了基于4种不同处理的土壤特性。不过,无机氮(氨态氮和硝酸态氮)的浓度并没有因为实施或未实施太阳热处理而出现显著差异。因此,可以认为李比希的无机营养说不能解释太阳热处理的生长促进效果。

接下来,联合研究团队利用新一代测序仪对土壤和根际的菌群进行分析发现,太阳热处理会大大影响农作物根际生长的细菌种类,而不是土壤整体的细菌。经确认,是对菌门产生了显著影响。在实施了太阳热处理的土壤种植的植物根际,异常球菌-栖热菌门和厚壁菌门增多,尤其是作为促进植物生长的根际细菌,类芽孢杆菌属和假单胞菌属随着太阳热处理而增多。这些结果表明,作为自然物质循环的有机物与根际菌群的相互作用,与基于太阳热处理的生长促进效果有关。

因此,为了使与太阳热处理相呼应的植物-微生物-土壤的复杂网络“原封不动”地实现数字化,联合研究团队实施了整合所有数据的相关网络分析(图1-2)。发现在农业生态系统中,由农作物的特定性状(产量和品质等)以及特定细菌种类和土壤成分构成的多个模块组合形成了网络。这种结构与其他生物学现象中经常观察到的网络结构相似,而且反映了农业生态系统中的不同植物-微生物-土壤层次之间有几十种复杂的相互作用。

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图2:有机氮对农作物生长的影响
(1)在包含农作物产量的模块中,氨基酸等有机氮属于枢纽节点。(2)因此,通过无菌栽培实验系统分析作为枢纽节点的有机氮对农作物的影响时发现,丙氨酸作为营养源,胆碱和丙氨酸作为生理活性物质促进了农作物的生长。(3)另外,实施了同位素标记的丙氨酸添加试验显示,丙氨酸被从根部吸收,并代谢为琥珀酸、谷氨酰胺和脯胺酸。

此外,包含农作物产量的模块中含有氨基酸等有机氮和根际细菌,尤其是土壤中的有机氮被作为枢纽节点检测出来(图2-1)。这表明,检测出来的有机氮作为通过太阳热处理诱导的有机物与根际菌群的相互作用的最终产物,促进了植物的生长。

接下来,联合研究团队利用日本油菜的无菌培养系统实施了有机氮添加实验,发现氨基酸中的丙氨酸和营养素胆碱可作为营养源和生理活性物质增加产量(图2-2)。尤其是丙氨酸,能同时作为营养源和生理活性物质发挥作用,因此,研究团队使用通过碳和氮两种稳定同位素标记的丙氨酸,调查了丙氨酸是如何被植物吸收和代谢的。结果发现,日本油菜直接吸收丙氨酸,另外,吸收的丙氨酸会被代谢成琥珀酸、谷氨酰胺和脯胺酸(图2-3)。这表明,植物将氨基酸作为营养源直接吸收,从而可以节约利用无机氮合成氨基酸的代谢能量。

此外,通过向土壤中添加丙氨酸的试验确认,这样可实现与无机氮同等程度的增产,而且,随着栽培期间土壤中丙氨酸浓度下降,无机氮的浓度会升高。这说明,丙氨酸在土壤中被植物直接吸收,同时分解成了无机氮。以上结果表明,通过太阳热处理诱导的有机氮会直接或间接地作为营养源被利用,同时还会作为生理活性物质发挥作用,作用机理比较复杂。

论文信息
题目:Multi-omics analysis on an agroecosystem reveals the significant role of organic nitrogen to increase agricultural crop yield
期刊:《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》(PNAS)
DOI:10.1073/pnas.1917259117

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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