前沿 | 沈其荣院士团队揭示根际有益菌VOCs提升植物生产力的新机制

2024-01-09 来源:资源与环境科学学院 作者:江高飞 图片:

北京时间1月9日,生态学顶刊《Nature Ecology & Evolution》在线发表我院沈其荣院士团队LorMe实验室的最新研究成果《Microbe-induced phenotypic variation leads to transgressive overyielding in clonal plant population》。该工作探究了不同根际土壤有益菌的挥发性有机产物(VOCs)对植物农艺性状和生物量的影响,首次揭示了有益菌VOCs通过激发植物表型变异,提升单一植物群落生产力的生态学过程和机制,为土壤微生物VOCs的开发与利用提供新思路,为利用微生物VOCs提升作物产能提供新途径。

生物多样性与群落生产力的关系及其驱动机制一直是生态学领域的研究热点。在自然生态系统中,植物遗传多样性可增加其群落生产力,可能受群落多样性水平(多样性效应),关键植物类型(抽样效应)及其之间的协同作用(超产效应)等生态关系的影响。同时,土壤中微生物多样性及其释放的关键代谢物(如VOCs)在植物生产力调控中也发挥了重要作用。然而,当前的农业种植模式具有密度高、类型单一等特点,导致农田系统的植物多样性较低,影响作物生产力的提高。因此,利用微生物多样性从而提高农田生态系统多样性,为提高农田作物生产力提供可能。本研究从微生物VOCs对植物表型的影响出发,通过模拟植物遗传多样性塑造表型多样性,探究微生物VOCs介导的植物表型多样性规律及其对作物群落生产力的影响,为研究生物多样性与群落生产力提供了新的角度。

为此,LorMe实验室以191株根际有益细菌产生的VOCs为对象,探究了不同根际细菌VOCs处理对拟南芥植株农艺性状的影响,发现其中4株根际细菌显著改变了拟南芥的表型,将表型发生变异的植株按照1、2、4的多样性梯度进行混合培养,发现混合培养后拟南芥群落的整体生物量显著提高,表现出较强的超产效应,说明根际有益菌VOCs通过激发植物表型变异进而提升单一植物群落的生产力。本研究评估了根际微生物VOCs介导的植物表型多样性互作对生态系统功能的影响,为利用根际有益菌VOCs提升农田单一作物的群落生产力提供了新方法、新途径。

本研究得到国家基金重大项目、国家基金杰出青年项目、国家基金外国优秀青年项目、国家基金面上项目和中央高校基本业务费等项目的资助。资环学院韦中教授和Alexandre Jousset教授为共同通讯作者,Wassem Raza副教授和江高飞副教授为共同第一作者,博士研究生黄艺烁参与了该项研究。沈其荣院士、George A. Kowalchuk教授和Nico Eisenhauer教授等指导了该项研究。

据悉,Waseem Raza副教授,自2005年起进入资环学院攻读沈其荣院士的博士,2010留校任职,2012年晋升为副教授。累计发表论文91篇,他引6694次,h-index为48。Waseem先后获得德国洪堡基金和欧盟玛丽居里-地平线2020等国际项目资助,并于2023年同时获批国家自然科学基金的面上项目和外国优秀青年学者研究基金项目两项国家级资助。Waseem主要从事土壤有益菌VOCs与根际健康研究,扎根中国打拼十九年,一直致力我国农业生产实际和学科发展需求,为利用微生物VOCs消减土传病害、提升土壤产能提供创新的解决方案。

全文链接:https://doi.org/10.1038/s41559-023-02297-1

审核:吴峰 赵烨烨

校对:胡晓璐

编辑:王璐

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