文章信息
01
02
英文题目:Belowground cascading biotic interactions trigger crop diversity benefits
中文题目:地下级联生物互作激发作物多样性优势
期刊名称:Trends in Plant Science(2023年影响因子20.5)
发表年份:2024年
文章作者:李春杰
通讯作者:丛汶峰
作者单位:中国农业大学 资源与环境学院
文章内容
以往对自然生态系统和农业生态系统的研究表明,增加植物多样性可以提高生产力和其他生态系统服务功能。然而,大部分研究主要集中在孤立、单一过程的相互作用上,限制了我们对多样化种植系统的地上、地下复杂相互作用的理解和认识,因此迫切需要一种系统的方法,全面探索多种种间相互作用,以及这些相互作用如何在多样化种植体系中引发地上、地下的级联效应。
文章首先定义了级联效应。然后,讨论了与作物多样化相关的级联效应的原理,并提供了两个典型案例,包括玉米/蚕豆间作和玉米-大豆轮作。然后,探讨了这些级联效应原理在缓解土壤生物和非生物胁迫中的应用。最后,提出了应用级联效应原理实现可持续种植体系设计的框架。
在农业生态系统中,在空间和时间尺度上进行的作物多样化布局,包括间作、轮作、覆盖作物和混作,与集约化的单作体系相比具有许多优势。例如,作物多样化促进了作物对土壤水分、氮(N)、磷(P)的吸收与利用,有助于抑制病虫害和杂草,提高土壤肥力,提高作物产量和品质,稳定农业系统整体生产力。间作和轮作是最常用的多样化种植制度,其关键益处在于通过种间相互作用最大化根际过程,从而更有效地调动、获取和利用养分资源,减少农业生产对化肥和农药的依赖。
作物地下部错综复杂的相互作用网络所涉及的根系生长、根系分泌物和微生物共生都以地上碳(C)固定为基础。来自地上部的C流和向地上移动的养分流将作物地上部、根、根际和微生物组连接起来,形成一个被称为“根际生命共同体”的系统。值得注意的是,即使是根系和根际过程的微小变化也会对整个系统产生深远的影响。在多样化种植体系中,多界面互作,包括根系相互作用、根系-根际相互作用、根-根际-微生物组相互作用以及地上和地下相互作用,共同触发了级联效应,最终提升了体系生产力。
图1 作物多样化中植物-土壤-微生物组级联互作的原理
文章重点说明了两个级联互作原理的案例:玉米/蚕豆间作和玉米-大豆轮作,这两个体系均因其在养分获取和增产方面的显著优势而引起了大量研究关注。
在玉米/蚕豆间作中,促进磷获取的级联效应源于蚕豆释放的根系分泌物对磷的活化,蚕豆比玉米更善于活化吸附态P。玉米的根系可塑性比蚕豆大,并且由于蚕豆分泌物(如羧酸盐和磷酸酶)活化的富P斑块,玉米根系大量增殖,使玉米能够吸收蚕豆活化的P,随后将C分配到地下,促进了根系分泌物的产生,而根系分泌物又促进了解磷细菌的富集(图2A)。
玉米-大豆轮作中提高磷获取的级联效应起源于大豆季。在玉米-大豆轮作中,大豆活化了被土壤固定的无机P,并在土壤中留下了根孔。大豆收获后,作物残茬(包括死根)转化为有机磷,在磷酸酶或解磷细菌的作用下,这一有机磷库能够被后续的玉米吸收利用;同时,这些根孔的存在增强了土壤结构,有利于后续玉米在深层土壤长根。因此,玉米根系分泌物的增加有助于矿化有机磷,扩大可用的磷库;根系分泌物的激增吸引了解磷细菌,进一步促进了有机磷矿化(图2B)。
图2 玉米/蚕豆间作(A)和玉米-大豆轮作(B)中磷(P)获取的级联效应典型实例
文章指出,在多样化种植体系中应用级联效应是解决土壤养分缺乏、缓解土壤压实造成的根系生长限制以及克服农业生态系统中微生物障碍的有效策略(图3)。
图3 应用多样化种植体系的级联效应原理来缓解农业生态系统中的土壤障碍
文章提出了一个系统的应用框架,通过应用级联效应原理来改善可持续种植体系,提高作物产量的同时减少对过量农业投入的需求,其中包括三个关键组成部分:(1)通过基于性状的表型和植物-土壤反馈,实现作物靶向性状的多样化;(2)通过稳定同位素标记,确定土壤养分缺乏、土壤压实和微生物障碍等土壤限制因子,并量化根、根际和微生物组等关键界面;(3)在新设计的多样化种植体系的基础上,定制化的田间管理可以加强作物多样化级联效应的关键界面(图 4)。
图4 应用级联效应原理实现可持续种植系统的程序框架
李春杰副教授为本文的第一作者,丛汶峰教授为通讯作者,张福锁院士全程指导了本文的设计,来自荷兰瓦赫宁根大学、澳大利亚西澳大学等专家及其他合作者对本文的发表提供了宝贵建议。
本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国高等学校科学基金、“引智计划”(“植物-土壤相互作用创新研究平台”,批准号:1031-00100701)、“北京市高精尖学科建设(农业绿色发展)”等项目的支持。
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.tplants.2024.04.010