论坛撷萃 | 朱峰：自然生态系统中一些植物和其他生物的互作关系

中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心研究员

朱峰：感谢主持人，也感谢大会能够给我这次机会来到成都和大家分享一些我近年来在基础科学研究领域的一些成果和感悟。这次大会给我一个体会就是CSA大家庭为生态农业发展的热情。短短的3天时间，开阔的个人的眼界，也弥补了我自己的一些知识漏洞。深感这次大会有很多干货，不仅仅为广大新农人提供了交流的机会，也为大家搭建了合作的平台。借此机会主要给大家介绍一下我们在农业生态中，以及自然生态系统中一些植物和其他生物的互作关系。

01

背景介绍

先简单地介绍一下我个人的背景，我是从2005年开始在荷兰学习工作13年，专业背景包括园艺学、植物遗传和育种。在博士期间利用生态基因组学方法研究植物-昆虫互作调控机制，随后到了荷兰生态研究所做了一些植物-互作反馈及土壤生态服务功能方面的研究。今年6月回国，在中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心开展工作。

简单介绍一下我们科研所，作为中科院一个科研机构，我们主要承担一系列基础科学研究，包括去解决一些与农业生产相关的关键技术性问题。单位主要有三个科研方向，其中第一个领域就是在农业中的水资源，以及节水农业；第二个领域是生态与环境方面，包括农业生态过程以及优化农业生产中的一些优化技术以及示范，也是我课题组所在的研究方向；第三个领域是植物遗传与育种，主要是培育新的作物品种，提高生产效率。

我们的课题组近几年主要关注几个方面，第一是植物与地上不同昆虫进行的互作关系，包括植物的间接防御和它直接免疫的机制。第二，我们关心植物以及环境因素对植物的干预，特别是干旱对于植物昆虫互作机制方面的研究。第三，是植物-土壤反馈机制，对于植物生物群落和微生物群落结构的影响。

02	地上植物昆虫互作过程

众所周知，植物生活在自然界中，它们要不断地和其他生物进行互动。其中一部分植食性的生物是我们在农业生产中最不希望见到的害虫。然而在第三层食物链存在一些特殊的昆虫，他们可以捕食或寄生植食性害虫，有着广谱性或者是特异性防控害虫的潜力。在农业中，种植者知道众多的害虫，包括蚜虫、毛虫，他们的特点是爆发快，很容易产生抗药性，所以我们不推崇农药防治害虫，它们会形成抗药性，一旦抗药性累积起来就没有农药能够去防控它们。通过用一些自然的食物链互作关系，利用天敌进行有效地防控这些不同的农业害虫，在图中列出的异色瓢虫、草蛉它们都存在相对的广谱性。

在自然界中食物链不仅仅限于三层营养关系，这些生防天敌同样有其天敌，这些昆虫被成为重寄生蜂。重寄生蜂代表了高度进化的昆虫第四层食物链，它是生物防治天敌的天敌，严重影响了生物防治的效果。尤其在欧洲，近年来温室蔬菜生产中出现了许多使用天敌防控害虫的失败案例。他们发现在短时间内重寄生蜂种群可以将生物防治的昆虫天敌种群取代。所以我们就针对实际问题进行了一系列的研究，我们想要知道第四层食物链中这些不需要的昆虫它们是通过什么方式去找到这些益虫的。我们进行了一系列实验，运用生态基因组学（包括代谢组学、蛋白组学、以及转录组学）这种多学科交叉研究方法，结合温室和田间实验，去研究生态学的一些现象，最终解释观测到的特异性现状，以及植物-昆虫互作机制。我们的研究发现当昆虫取食植物的时候，植物产生一系列挥发性有机物质，作为吸引生防天敌的求救信号。然而植物在被寄生的害虫侵染后所产生的挥发性物质的构成发生变化，对重寄生蜂的吸引力更强。目前我们也在积极的努力，通过研究提高农业生产中天敌防治的成效。

人们通常认为不同的生物都是单一的个体，由于科研水平的提高，科学家们发现所有的高等生物都并非单一的个体。例如毛虫体内会存在着大量的寄生生物，而这些不同的生物，包括微生物或者一些大型的寄生生物，它们会间接或者直接影响植物对于昆虫取食防御的反映，从而导致植物从接受侵染的信号到最终防御的形成，最终形成另外一个表型。自然生态系统中有更多复杂的互作关系等待着我们去进一步了解。

在我们关注地上植物昆虫互作过程的同时，在土壤（地下）生态系统中植物通过和其他生物建立共生关系，或者是植物通过根际的化学信号，和土壤大中型生物或者微生物存在着紧密的交流和互作关系。

03

植物和土壤互作过程

土壤中存在着大量的生物和极大的生物多样性。当植物种植在土壤中，随着时间的推移，土壤的生物群落结构在植物的影响下会发生一定的改变。换言之植物诱导的土壤生物特性的改变，即使在一个植物生命周期结束之后，它所改变的土壤状态得以保持，然而这些得以保持的土壤状态会继续影响后续植物的适应性，这就是我们所说的植物土壤反馈效应。

在近期的研究中，我们试图揭示植物土壤反馈效应是否对地上昆虫体内微生物群落结构产生同样的影响。我们利用田间试验，用植物群落调节土壤的状态，把田间土壤拿回温室种植蒲公英，我们希望通过这个实验去研究是否被影响的土壤的微生物状态可以反映到植物中，而且进一步是否可以反映到当昆虫向食物取食物的时候，是不是昆虫相关的微生物组可以反映土壤的状态。

图中展示的是微生物多样性分析，上半部分是细菌，下半部分是真菌，意料之中的是在土壤中微生物的多样性是最高的，随着土壤到植物根系以及地上昆虫的体内，微生物的多样性是逐级降低的。

在最初试验设计中我们用不同的植物群落对土壤进行调节。首先，土壤微生物群落构成与地上植物群落有很强的相关性。其次，当令我们出乎意料的是地上昆虫体内的微生物群落是可以反映土壤微生物的状态的。这一结果也印证了我们在其他报告中听到的，人类的微生物组和土壤微生物组是紧密相关的。同样在自然界中一些昆虫通过取食植物，甚至可以反映出土壤微生物的状态。

近年来我们的一些研究也被国际同行高度关注，并且被《科学》、《自然》等杂志期刊进行专题报道。今后我们课题组所关注的研究方向就包括健康土壤的构建。在2016年欧盟发布了一个世界土壤生物多样性的图集报告，在报告中提到土壤生态系统存在极高的生物多样性，而且土壤的生物对于生态系统的良性循环起到非常重要的作用。众所周知，现在地球正处于一个环境急剧变化的阶段，一个健康的土壤生态群落，可以帮助我们地球去应对一些极端的气候变化，包括一些环境因素的改变。

我们希望结合自然和农业生态系统进行一个紧密的结合，从自然生态系统中获得知识把它应用到农业生态系统中。例如通过构建一些长期野外定点实验去解决土壤中的实际问题，比如像华北滨海地区的一个非常严重的盐渍化土壤的现象，我们希望可以通过植物去调节土壤，然后改良土壤的状态。同样我们希望探讨一个问题，是不是生物多样性高的土壤就意味着健康的土壤？现在针对这个问题还没有明确的答案，只能说我们尽力地去通过一些研究手段、实验，去给大家尽快地解决这个疑问，提出一个健康土壤的衡量标准。我们希望可以通过结合有机肥的使用、植物-土壤反馈效应、根际有益微生物的富集，提高作物对（非）生物胁迫的抗性，从而提升作物的品质和产量。

04

实际应用

我们希望在生态系统尺度，以及土壤微观尺度，进一步探讨对土壤地上地下的关系。包括在养分过程中输入输出的关系，包括地下水污染，研究从野外定点实验的尺度，上升到农户、区域尺度，到全球性变化的尺度，最终实现农业生态系统的综合管理。

还需要指出一点就是集约化农业生产其实对于我们的环境也产生了不利的影响，包括一些农田的废弃物的不当处理，以及化肥农药的施用，造成了极大的环境代价，影响了农业生产的效率。国家非常重视有机肥替代化肥，以及农业面源污染的处理问题。在我们科研中心现在做了一个在养殖业中畜禽粪尿原位方向处理的设备，它可以实现短期内的快速无害化、资源化，以及在畜牧业中使用抗生素的问题，通过我们这个设备可以快速地把抗生素和抗性基因降解掉，做到农业废弃物的无害化处理。抗生素以及抗性基因的降解率超过90%，它缩短了70%的有机肥处理的时间，氨气挥发减少3成以上。我们的智能堆肥反应器，获得了中央电视台的专题报道和2017年农高会“后稷特别奖”。现在从南到北，30多个养殖场和废弃物集中处理中心，已经使用了我们的智能堆肥反应器系统。以上就是我的汇报，祝大会圆满成功，谢谢大家。

推

荐

阅

读

社会生态农业CSA联盟

社会生态农业CSA联盟由著名“三农”问题专家温铁军教授倡导成立，推动社会化、生态化的食物体系，自2003年开始培训农民学习立体循环农业和生态建筑、2009年开始构建全国的CSA网络，于2017年正式注册社会团体，连续每年举办年度最广泛参与的CSA大会，并与国际社会生态农业联盟（URGENCI）进行直接的对接。

联盟致力于成为全国社会化生态农业领域专业倡导型、多元服务型的社会团体，将全国各地认同并愿意支持CSA模式的生产者和消费者连接起来，构建社会生态农业互助网络，2017年发起“有种有种”全国性倡议活动。主要工作内容包括研究相关课题、举办年度CSA大会、推动建立参与式保障体系（PGS）和组织培训学习等。

联系方式：

电话：136-8129-1083 小C

邮箱：[e-mail]

微信：社会生态农业CSA联盟

微博：@社会生态农业CSA联盟