高密度種植能夠提高農作物的產(chǎn)量，但也會(huì )加劇病蟲(chóng)害風(fēng)險。植物如何在此類(lèi)條件下調控防御反應的，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，玉米通過(guò)葉片揮發(fā)物芳樟醇（linalool）觸發(fā)的植物-土壤反饋機制，在高密度種植條件下強化其防御能力。芳樟醇激活鄰近植株的茉莉酸信號途徑，并促進(jìn)苯并惡嗪類(lèi)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構，促進(jìn)特定細菌類(lèi)群的增殖，這些菌群雖以抑制玉米生長(cháng)為代價(jià)，卻能引發(fā)廣譜抗性。該微生物驅動(dòng)的反饋循環(huán)受水楊酸信號通路調控。
該研究揭示了高密度種植中精妙的化學(xué)信號網(wǎng)絡(luò )，這一機制對改良土壤健康、設計協(xié)調植物生長(cháng)與防御平衡的可持續農業(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(chóng)害爆發(fā)的風(fēng)險。盡管植物能夠改變自身結構以適應擁擠的環(huán)境，但它們如何調整免疫反應仍知之甚少。了解植物如何應對這些權衡取舍對于可持續農業(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(lèi)的化學(xué)信號，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釋放的一種葉片揮發(fā)物。我們假設，在種植密度較高的田地里，芳樟醇能夠作為一種信號，引發(fā)植物與土壤之間的反饋作用，使周邊植物為可能遭遇的生物脅迫做好準備。
在這項最新研究中，研究團隊探究了芳樟醇如何影響根系信號傳導、土壤微生物群落，以及最終的植物防御機制和生長(cháng)情況。
實(shí)地調查發(fā)現，在密植田的內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(cháng)更遲緩。實(shí)驗室土壤移植實(shí)驗證實(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)增強對昆蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)和病原體的抗性。這種效應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了反饋效應，該效應需活體植株參與。機制研究表明，芳樟醇通過(guò)激活根部茉莉酸信號途徑，上調驅動(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(cháng)又能增強后續植株抗性的細菌群落。土壤滅菌和微生物定殖實(shí)驗證實(shí)這些微生物是構成反饋循環(huán)的必要組分。
在芳樟醇馴化土壤中生長(cháng)的植株中，防御相關(guān)信號通路（特別是水楊酸信號）顯著(zhù)上調，而促生長(cháng)代謝通路則受到抑制。水楊酸信號缺失植株未呈現生長(cháng)-防御權衡表型，確證了水楊酸在反饋觸發(fā)防御響應中的核心調控作用。
密植引發(fā)植物-土壤反饋從而增強玉米抗性的機制模型
總的來(lái)說(shuō)，該研究揭示了一種揮發(fā)物觸發(fā)的反饋機制，玉米通過(guò)該機制在擁擠環(huán)境中調控防御策略。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)入防御準備狀態(tài)。該過(guò)程通過(guò)水楊酸信號通路導致后續植株呈現防御增強與生長(cháng)受限的表型。這些發(fā)現闡明了植物如何整合地上部信號與地下部過(guò)程以?xún)?yōu)化高密度環(huán)境下的防御響應。通過(guò)育種改良、微生物接種或合成生物學(xué)手段調控該天然防御通路，有望培育出抗逆性強、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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