Microbiome：南土所孙波组揭示间作重塑根际微生物组并促进生长的机制

http://doi.org/10.1186/s40168-019-0775-6

植物邻近检测识别和化感应答的响应策略是物种间相互作用的重要过程。 尽管越来越多地了解植物邻近识别和涉及植物释放挥发物的响应，但人们对于在土壤中的信号化学物质如何在植物-植物相互作用中的分子机制知之甚少。

近日，Microbiome 杂志在线发表了来自中科院南京土壤研究所孙波课题组题为“Root ethylene mediates rhizosphere microbial community reconstruction when chemically detecting cyanide produced by neighbouring plants”的研究论文。

该文章研究了种间植物（花生与木薯）地下部化学信号识别途径，揭示了花生信号调控根际微生物的竞争性防御生存策略。

我国人均耕地资源不足，建立合理的作物间作体系可以提高耕地利用效率，增加单位面积产量，但需要发挥不同作物在光能和养分利用上的互补优势，减少作物间竞争的不利影响。不同作物根系构型不同，吸收养分的类型及吸收的时间和空间均有差异，如何调控并强化间作系统中作物间相互促进作用是提高养分利用率的关键。

根际是作物吸收养分的门户，根系-土壤-微生物相互作用影响了养分转化、吸收和作物生长，根系分泌物影响根际环境条件（pH、O2分压、碳源等）从而影响根际微生物组成及其对养分的转化，根系释放的信号启动作物间化学通讯识别过程从而影响作物生长-防御权衡策略。

已有研究从植物生理学角度揭示了乙烯等胁迫诱导型激素在信号识别和应答邻近植物种间竞争方面的作用机制，但是关于这类信号在根系-土壤-微生物界面上的互作机制仍不清晰，制约了建立有效措施调控种间植物竞争、提升间作系统作物养分利用率。

该研究利用了我国南方地区常用的花生-木薯间作系统，针对调控花生和木薯竞争促进养分利用问题，运用红壤旱地花生连作、花生-木薯间作田间试验，并结合盆栽、水培实验和外源乙烯添加实验，及利用高通量测序、激素组分析等方法，试图揭示了种间植物竞争下植物根系与微生物间基于信号的“化学对话”机制。

图1. 间作和盆栽实验的间作和单作采样点示意图

Diagram of intercropping and monocropping sampling sites in the field and pot experiments.

a. 田间花生和木薯间作系统（i）和花生单作系统（ii）。间作组合包括一个2.0米的花生条（五排花生，行距为0.4米）和一个0.4米的木薯条（一排木薯）。同一列内的植物间距离为0.2米。在单作系统中，行间距离为0.4米，同一柱内的行间距离为0.2米。 CRi，BSi和PRi代表间作系统中的木薯根际土壤，块状土壤和花生根际土壤。 PRm和BSm代表单作系统中花生根际土壤和相应的散装土壤。 

b. 间作和单作盆栽实验的示意图。成对的植物在用丝网筛过滤器（红色虚线）分隔成小室的盆中一起生长。处理(Treatment)I，木薯单作；处理II，花生和木薯间作，处理III，花生单作；处理IV，在花生中加入氰化物稀释液进行培养。与对照(Control, C)相比，花生加水培养。从相应的有色地点收集的根际和散装土壤用地点名称加小写字母“ s”表示；从地点收集的花生植物用地点名称加上小写字母“ p”表示

研究发现邻近植物木薯产生的氰化物可诱导间作花生根系乙烯释放。该信号分子一方面调控花生生理应答；另一方面可经根部释放重塑根际微生物群落，影响作物养分吸收。研究结果表明：花生与木薯间作，木薯根部的氰化物促进花生根部乙烯前体积累，上调乙烯相关基因表达，激发乙烯释放。这种气体分子以减少花生植株地上生物量为代价，调控花生根际微生物网络中的核心物种（放线菌门 Catenulispora sp.）丰度，重塑微生物网络结构。新构建的微生物组加速根际有机氮磷矿化，为花生地下部提供可利用氮磷养分，从而提高花生子代有效繁殖能力，进一步提高花生在间作模式下的生态适应性。

图8. 花生介导木薯-花生间作系统中根际微生物群增加可用养分的机理概述。暴露于地下的氰化物诱导花生根中产生乙烯，并且乙烯介导放线菌物种重塑根际微生物群，从而通过增加可利用的营养成分促进花生种子的产生

综上所述，该研究表明木薯能从根部向土壤中释放出一系列液态和气态的氰化物，而附近的花生接收到这种信号后，能够释放相应的气态分子乙烯，在乙烯影响下，花生植株会主动缩减地面植株的繁茂程度，优先保证果实的养分供给。同时，乙烯还能作为“召集信号”，聚集土壤中的有益微生物到花生根部，提高氮、磷等有效养分的吸收率，以进一步提高花生果实的饱满程度和产量。

Reference

Chen, Y., Bonkowski, M., Shen, Y. et al. Root ethylene mediates rhizosphere microbial community reconstruction when chemically detecting cyanide produced by neighbouring plants. Microbiome 8, 4 (2020). https://doi.org/10.1186/s40168-019-0775-6

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