农田多样化作物调控豆科生物固氮的根际对话机制研究取得进展

近日，中国科学院南京土壤研究所彭新华研究员团队陈晏副研究员联合德国科隆大学陆地生态研究所、美国俄克拉荷马大学、中国科学院分子植物科学卓越创新中心等国内外研究单位在农田长期多样化种植下，种间植物根际对话调控土壤氮素库容扩增机制方面取得了进展。相关研究成果以“Legume rhizodeposition promotes nitrogen fixation by soil microbiota under crop diversification”为题，在线发表于Nature Communications 上。

我国人均耕地资源缺乏，长期依赖化肥的高强度单一化种植，加速了土壤生物功能退化，不利于健康耕地土壤培育。含豆科的轮间套作增加了农田作物多样性，并在减少氮肥的基础上保证了作物产量，实现了地下养分扩增和地上作物稳产。但是关于这种“双赢效应”的产生机制仍不清晰，制约了农田作物多样化“改土提质-产能增效”等技术措施的优化发展。植物根系分泌物介导根际对话调控作物功能微生物的组装和宿主适应性反馈。已有研究明确了个体植物特异性代谢物在招募根际微生物抵御环境胁迫方面的贡献。然而，种间植物根系间存在着频繁的化学通讯。长期多样化作物共存下，发掘豆科如何调控根系代谢提升生物固氮等环境适应性功能，是揭示农田土壤氮库扩容的关键。

该团队利用土壤代谢组、植物转录组等多组学方法，结合荧光分子标记等微生物基因工程技术，明确了红壤长期轮间套作种植模式下，豆科根际特异性沉积物提升土壤生物固氮的分子生化途径。研究结果表明，相较于花生单作，长期多样化种植的花生表现出最高的根系结瘤能力和土壤氮素固定能力。从植物转录水平上，玉米和油菜的轮间作活化了花生根系苯丙烷代谢途径，从而提升了花生代谢水平上黄酮和香豆素类代谢物的根系合成与释放。这些物质在土壤中的积累改变了土壤微生物群落组成，并通过两种途径影响土壤固氮菌群生物活性：1）针对土壤自生固氮菌，花生根系沉积物是其偏好的碳资源。代谢物通过资源补偿效应增加自生固氮菌个体数量，提升土壤固氮活性扩增土壤氮库；2）针对根系共生固氮菌，黄酮和香豆素类代谢物作为信号分子，通过信号诱导效应改变共生菌生存策略，激发固氮菌的宿主定殖活性，增强共生固氮能力。以上两种生物固氮途径的强化是多样化作物种植扩增土壤氮库的关键。该研究揭示了地上多样化植物-地下微生物群落基于“化学交流”构建农田跨界生物联盟途径，提出多样化种植提升退化红壤质量的生物调控原理，为在贫瘠红壤上建立花生/玉米-油菜轮间套作制度优化，协同退化阻控和养分扩容提供了理论基础。

研究成果得到了中国科学院南京土壤研究所“十四五”自主部署项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划项目等的支持。 

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47159-x

多样化作物调控豆科共生固氮与土壤自身固氮