科学家揭示了植物次生代谢物如何影响农业可持续化生产

现代农业面临着一大重要挑战：如何在不增加额外外部营养物输入的情况下提高农作物的产量并同时维持生产的可持续性？2023年8月1日，一项题为《依赖植物次生代谢物的植物-土壤反馈可提高田间作物产量》（Plant secondary metabolite-dependent plant-soil feedbacks can improve crop yield in the field）的研究，提供了另一种思路。该研究由一支瑞士的科学家研究团队领导，发表于生命科学和生物医学科学领域的**期刊eLife上。

植物-土壤反馈（Plant-Soil Feedbacks，PSFs），指的是在植物生长过程中影响其周围土壤的生物和非生物特性的过程，大致分为正面反馈和负面反馈。正面反馈指当一种植物种植在之前种植过类似种类植物的土壤中时生长能力增强的情况；而负面反馈指当一种植物在上述情景中时生长能力降低的情况。

在这项研究中进行的为期两年的农田实验中，研究团队从一种主要在玉米生长过程中生成的源自靛基质（indole）的含酚类化合物（Benzoxazinoids）出发，在试验田种植了两种玉米：野生玉米和由于基因突变而导致含酚类化合物分泌更少的玉米，随后在玉米收割后的土地上种植了小麦，来观察在两种土壤条件下的小麦生长、杂草覆盖、虫害情况、产量和作物质量并辅以量化分析，以期弄清楚这类从作物根系生成的化学物质如何影响土壤养分和作物生长情况。

从研究结果来看，在种植玉米时释放的含酚类化合物影响下的土壤可以在小麦生长期间提高小麦植株的叶绿素含量、植株高度、小麦植株数量和出苗率等指标，从而提高了小麦*后的作物产量。这表明含酚类化合物可以有效地增加小麦生长和出产的整体数量和质量。在病虫害和杂草水平方面，虽然含酚类化合物的存在并没有显著减少杂草的分布，但却显著减少了小麦植株上的害虫数量。这表明土壤中的含酚类化合物可以在小麦生长过程中减少害虫的侵害。

此项研究的基本流程 / 图源：eLife

也就是说，研究结果显示，合理利用植物-土壤反馈机制或将是未来发展可持续农业的一种颇有前景的方法。植物次生代谢产物及其降解产物可以加强抗虫害和病毒的能力，并能提高后续作物的生长质量和粮食产量。而在合理轮作的情况下，4%到5%的作物产量提升就相当于通常情况下两年以上的育种时间所达成的产量增益，而这还是在没有额外营养物等化学物质输入的情况下达成的。

两种土壤条件下的小麦熟成情况 / 图源：eLife

研究团队提到，今后的研究可以考虑设计适用于这些特性的作物品种，并在农田中进一步评估其他作物对含酚类化合物的反应，以及研究结果在不同时间点和不同地区之间的普遍性和适用性。此外，更好地理解含酚类化合物生成的遗传基础，有助于增强土壤中此类物质的释放。这将有助于进一步发掘植物-土壤反馈在发展可持续农业方面的潜力。而同时，理解土壤中化学和微生物指纹（Chemical and microbial fingerprint）所指向的重要指标可以有效帮助规划农业生态学意义上合理的轮作。

【编者注】土壤中的化学和微生物指纹，是指一份土壤样本中抓取到的特有化学和微生物成分，一般这些特有成分会指向取样土壤的基本组成元素和生物类型。

参考文献：

1. https://elifesciences.org/articles/84988#fig4s1

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Plant–soil_feedback#:~:text=Negative plant–soil feedback occurs,member of the same species.

编译：梁弘尚

审核：Samantha

编辑：Tommy