浙江大学发表最新Science论文

来源：生物世界 2025-08-17 12:17

高密度种植能够提高农作物的产量，但也会加剧病虫害风险。植物如何在此类条件下调控防御反应的，目前仍不明确。

2025 年 8 月 14 日，浙江大学胡凌飞、徐建明作为共同通讯作者，在国际顶尖学术期刊 Science上发表题为：Linalool-triggered plant-soil feedback drives defense adaptation in dense maize plantings的研究论文。

该研究发现，玉米通过叶片挥发物芳樟醇（linalool）触发的植物-土壤反馈机制，在高密度种植条件下强化其防御能力。芳樟醇激活邻近植株的茉莉酸信号途径，并促进苯并恶嗪类化合物 特别是HDMBOA-Glc的根系分泌。这些分泌物重塑根际微生物组结构，促进特定细菌类群的增殖，这些菌群虽以抑制玉米生长为代价，却能引发广谱抗性。该微生物驱动的反馈循环受水杨酸信号通路调控。

该研究揭示了高密度种植中精妙的化学信号网络，这一机制对改良土壤健康、设计协调植物生长与防御平衡的可持续农业策略具有重要意义。

种植作物时增加种植密度能提高总体产量，但也会增加病虫害爆发的风险。尽管植物能够改变自身结构以适应拥挤的环境，但它们如何调整反应仍知之甚少。了解植物如何应对这些权衡取舍对于可持续农业至关重要，尤其是在全球粮食需求不断增加的背景下。

植物会释放诸如挥发物之类的化学信号，向周边植物传递环境状况的信息。其中一种化合物 芳樟醇（linalool），是玉米和其他禾本科植物持续释放的一种叶片挥发物。我们假设，在种植密度较高的田地里，芳樟醇能够作为一种信号，引发植物与土壤之间的反馈作用，使周边植物为可能遭遇的生物胁迫做好准备。

在这项最新研究中，研究团队探究了芳樟醇如何影响根系信号传导、土壤微生物群落，以及最终的植物防御机制和生长情况。

实地调查发现，在密植田的内行玉米植株相比边缘行植株，受草食动物损害较轻但生长更迟缓。实验室土壤移植实验证实，经高密度种植驯化的土壤会降低植株生物量，同时增强对昆虫、线虫和病原体的抗性。这种效应具有跨基因型和跨物种普遍性。

挥发性物质谱分析确定芳樟醇是随种植密度增加的关键化合物。玉米暴露于合成芳樟醇后重现了反馈效应，该效应需活体植株参与。机制研究表明，芳樟醇通过激活根部茉莉酸信号途径，上调驱动特异代谢物 HDMBOA-Glc 生物合成和分泌的关键基因。该分泌物重塑根际微生物组，特异性富集既能抑制植物生长又能增强后续植株抗性的细菌群落。土壤灭菌和微生物定殖实验证实这些微生物是构成反馈循环的必要组分。

在芳樟醇驯化土壤中生长的植株中，防御相关信号通路（特别是水杨酸信号）显著上调，而促生长代谢通路则受到抑制。水杨酸信号缺失植株未呈现生长-防御权衡表型，确证了水杨酸在反馈触发防御响应中的核心调控作用。

密植引发植物-土壤反馈从而增强玉米抗性的机制模型

总的来说，该研究揭示了一种挥发物触发的反馈机制，玉米通过该机制在拥挤环境中调控防御策略。组成性释放的芳樟醇通过激活根部茉莉酸信号通路、促进 HDMBOA-Glc 分泌并重塑根际微生物群落，使邻近植株进入防御准备状态。该过程通过水杨酸信号通路导致后续植株呈现防御增强与生长受限的表型。这些发现阐明了植物如何整合地上部信号与地下部过程以优化高密度环境下的防御响应。通过育种改良、微生物接种或合成生物学手段调控该天然防御通路，有望培育出抗逆性强、化学投入需求低的新型作物。