高密度種植能夠提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，但也會(huì)加劇病蟲害風(fēng)險(xiǎn)。植物如何在此類條件下調(diào)控防御反應(yīng)的，目前仍不明確。
2025 年 8 月 14 日，浙江大學(xué)胡凌飛、徐建明作為共同通訊作者，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表題為：Linalool-triggered plant-soil feedback drives defense adaptation in dense maize plantings 的研究論文。
該研究發(fā)現(xiàn)，玉米通過(guò)葉片揮發(fā)物芳樟醇（linalool）觸發(fā)的植物-土壤反饋機(jī)制，在高密度種植條件下強(qiáng)化其防御能力。芳樟醇激活鄰近植株的茉莉酸信號(hào)途徑，并促進(jìn)苯并惡嗪類化合物--特別是 HDMBOA-Glc 的根系分泌。這些分泌物重塑根際微生物組結(jié)構(gòu)，促進(jìn)特定細(xì)菌類群的增殖，這些菌群雖以抑制玉米生長(zhǎng)為代價(jià)，卻能引發(fā)廣譜抗性。該微生物驅(qū)動(dòng)的反饋循環(huán)受水楊酸信號(hào)通路調(diào)控。
該研究揭示了高密度種植中精妙的化學(xué)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，這一機(jī)制對(duì)改良土壤健康、設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)與防御平衡的可持續(xù)農(nóng)業(yè)策略具有重要意義。
種植作物時(shí)增加種植密度能提高總體產(chǎn)量，但也會(huì)增加病蟲害爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。盡管植物能夠改變自身結(jié)構(gòu)以適應(yīng)擁擠的環(huán)境，但它們?nèi)绾握{(diào)整免疫反應(yīng)仍知之甚少。了解植物如何應(yīng)對(duì)這些權(quán)衡取舍對(duì)于可持續(xù)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要，尤其是在全球糧食需求不斷增加的背景下。
植物會(huì)釋放諸如揮發(fā)物之類的化學(xué)信號(hào)，向周邊植物傳遞環(huán)境狀況的信息。其中一種化合物--芳樟醇（linalool），是玉米和其他禾本科植物持續(xù)釋放的一種葉片揮發(fā)物。我們假設(shè)，在種植密度較高的田地里，芳樟醇能夠作為一種信號(hào)，引發(fā)植物與土壤之間的反饋?zhàn)饔?，使周邊植物為可能遭遇的生物脅迫做好準(zhǔn)備。
在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)探究了芳樟醇如何影響根系信號(hào)傳導(dǎo)、土壤微生物群落，以及最終的植物防御機(jī)制和生長(zhǎng)情況。
實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在密植田的內(nèi)行玉米植株相比邊緣行植株，受草食動(dòng)物損害較輕但生長(zhǎng)更遲緩。實(shí)驗(yàn)室土壤移植實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)高密度種植馴化的土壤會(huì)降低植株生物量，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)昆蟲、線蟲和病原體的抗性。這種效應(yīng)具有跨基因型和跨物種普遍性。
揮發(fā)性物質(zhì)譜分析確定芳樟醇是隨種植密度增加的關(guān)鍵化合物。玉米暴露于合成芳樟醇后重現(xiàn)了反饋效應(yīng)，該效應(yīng)需活體植株參與。機(jī)制研究表明，芳樟醇通過(guò)激活根部茉莉酸信號(hào)途徑，上調(diào)驅(qū)動(dòng)特異代謝物 HDMBOA-Glc 生物合成和分泌的關(guān)鍵基因。該分泌物重塑根際微生物組，特異性富集既能抑制植物生長(zhǎng)又能增強(qiáng)后續(xù)植株抗性的細(xì)菌群落。土壤滅菌和微生物定殖實(shí)驗(yàn)證實(shí)這些微生物是構(gòu)成反饋循環(huán)的必要組分。
在芳樟醇馴化土壤中生長(zhǎng)的植株中，防御相關(guān)信號(hào)通路（特別是水楊酸信號(hào)）顯著上調(diào)，而促生長(zhǎng)代謝通路則受到抑制。水楊酸信號(hào)缺失植株未呈現(xiàn)生長(zhǎng)-防御權(quán)衡表型，確證了水楊酸在反饋觸發(fā)防御響應(yīng)中的核心調(diào)控作用。
密植引發(fā)植物-土壤反饋從而增強(qiáng)玉米抗性的機(jī)制模型
總的來(lái)說(shuō)，該研究揭示了一種揮發(fā)物觸發(fā)的反饋機(jī)制，玉米通過(guò)該機(jī)制在擁擠環(huán)境中調(diào)控防御策略。組成性釋放的芳樟醇通過(guò)激活根部茉莉酸信號(hào)通路、促進(jìn) HDMBOA-Glc 分泌并重塑根際微生物群落，使鄰近植株進(jìn)入防御準(zhǔn)備狀態(tài)。該過(guò)程通過(guò)水楊酸信號(hào)通路導(dǎo)致后續(xù)植株呈現(xiàn)防御增強(qiáng)與生長(zhǎng)受限的表型。這些發(fā)現(xiàn)闡明了植物如何整合地上部信號(hào)與地下部過(guò)程以優(yōu)化高密度環(huán)境下的防御響應(yīng)。通過(guò)育種改良、微生物接種或合成生物學(xué)手段調(diào)控該天然防御通路，有望培育出抗逆性強(qiáng)、化學(xué)投入需求低的新型作物。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv6675
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