全球無機肥料投入和作物產(chǎn)量都在日益增加，同時土壤氮素淋失造成的水體污染也在日益嚴重。過度使用化肥會導致許多環(huán)境問題，了解包含植物、微生物和土壤的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對于可持續(xù)農(nóng)業(yè)是必要的，所以迫切需要設計環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。但由于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)高度復雜，由植物、微生物和土壤之間相互作用的錯綜復雜的網(wǎng)絡組成，識別作物生產(chǎn)中的關鍵成分仍然是難以捉摸的。

近日，Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America在線發(fā)表了東京大學農(nóng)業(yè)與生命科學研究生院Naoto Nihei教授和名古屋大學生物農(nóng)業(yè)科學研究生院Jun Kikuchi教授題為“Multi-omics analysis on an agroecosystem reveals the significant role of organic nitrogen to increase agricultural crop yield”的研究論文。該研究揭示了在不同管理措施下建立的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構，發(fā)現(xiàn)在土壤日曬（Soil Solarization，SS）條件下，有機氮是作物產(chǎn)量的關鍵組成部分。作為一種環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)方法，土壤日曬（SS）利用大自然取之不盡、用之不竭的太陽能來殺滅土傳植物病原體和除草，而且據(jù)報道還可以促進植物生長，這種現(xiàn)象被稱為增加生長反應（Increase Growth Response，IGR）。

作者在一個裂區(qū)設計的農(nóng)田里種植了日本菠菜，主效應為SS，次效應為肥料，并由幾個環(huán)境傳感器檢測，構建了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。監(jiān)測結(jié)果表明，SS降低了雜草覆蓋率，增加了植物地上部干重，證實了SS誘導的IGR效應。

作者基于NMR的代謝組學，ICP-OES的離子學和細菌16S rRNA的基因擴增片段測序等方法檢測SS誘導IGR的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤代謝、礦物質(zhì)和細菌圖譜的變化。表明SS誘導的IGR效應是SS土壤中氮素的通量速率增加造成，有機氮在苗期短暫耗盡，但在收獲期最終富集。雖然在植物栽培過程中土壤細菌的剖面被破壞，但SS在門類水平上聚集并維持根際細菌的特定菌落剖面。

該研究中SS處理解釋了包括植物物候組、植物代謝組、土壤代謝組、土壤離子組和根際微生物組在內(nèi)的全組學數(shù)據(jù)的變化，利用整合的全組學創(chuàng)建了一個無符號的相關網(wǎng)絡。檢測到土壤有機氮直接影響植物的生長，是作物生產(chǎn)過程中SS誘導的關鍵成分。

作者通過綜合網(wǎng)絡分析確定的SS誘導的有機氮的應用證實了自己的假設。通過建立體外無菌白菜變種試驗，證明丙氨酸等有機氮作為氮源可以增加植物地上部生物量，丙氨酸不僅可以作為氮源，還可以作為一種生物活性化合物。作者在兩種不同類型的耕地上進行了盆栽試驗，重現(xiàn)丙氨酸在農(nóng)業(yè)領域的效果。數(shù)據(jù)表明，SS可能導致有機氮的積累，這些有機氮可能作為直接和間接氮源以及生物活性化合物來增加作物產(chǎn)量。

該研究在不同管理實踐下觀察到的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中復雜的相互作用中發(fā)現(xiàn)了一個異質(zhì)的模塊結(jié)構，編排了一個復雜的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)或“黑匣子”。發(fā)現(xiàn)提供了一個潛在的解決方案，通過利用土壤日曬誘導的有機氮來提高作物生產(chǎn)的可持續(xù)性。利用多組學數(shù)據(jù)進行的綜合網(wǎng)絡分析可以檢測土壤代謝物與作物產(chǎn)量之間的相關性。表明集成組學方法在檢測植物、微生物和土壤之間的多水平相互作用和識別農(nóng)業(yè)田間研究中的關鍵成分方面具有預測能力。