通过在农业领域使用多组学 科学家发现有机氮起关键作用

由日本理研生物资源科学中心领导的合作研究人员使用多组学方法分析了农业系统，并成功地数字化了农田中植物，微生物和土壤之间的复杂相互作用。使用新方法，他们得出了令人惊讶的发现，即有机氮在促进植物生长中起关键作用。这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究可以为更可持续的农业实践铺平道路。

1840年，德国科学家Justus von Liebig提出，植物需要输入矿物质(尤其是氮)才能正常生长。然后，在20世纪初期，哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺的发展使生产大量的氮基肥料成为可能，从而彻底改变了农业。但是，有一个价格。肥料通常使用无机氮，无机氮会通过土壤渗入水中，导致污染。

作为对此的回应，正在探索各种方式来促进植物生长而不使用有害肥料。一种是称为“土壤日光化”的方法，该方法涉及将塑料片放在田野上以捕获太阳的热量。这提高了土壤的温度，并被认为有助于防止妨碍植物生长的杂草和寄生虫。但是，促进植物生长的机制尚未完全了解。

为了弄清楚为什么日光化能起作用，RIKEN领导的团队建立了一个实验，在实验中他们使用了多种“组学”方法-观察代谢组(检查各种代谢产物)，离子组(查看元素的分布)，微生物组(对微生物概况的全面调查)和表观(对植物表型的检查)-检查实验性农业领域。该田原被用来种植日本芥菜菠菜(Brassica rapa Var。perviridis)，被分为使用日光化和不使用日光化的部分。这些部分进一步分为堆肥或化肥施用区域。

结果证实了先前的研究，表明日光照射的区域杂草更少，并且增加了植物新芽的重量。无论它们是否在日晒区生长，这些植物本身都具有相似的特性，例如糖含量和叶形，从而使研究人员推测这种差异与土壤营养有关。出乎意料的是，当研究人员对土壤中的化合物和元素进行分析时，他们发现日光化的田地和非日光化的田地之间的无机氮浓度没有差异。该网络分析通过多组学使用农业领域的数字化信息，导致他们怀疑有机氮源(例如氨基酸)正在助长增长。他们还发现了在植物根部生长的细菌(称为根际)的差异，这对于使植物能够吸收氮非常重要。

尽管他们能够确定有机氮的重要性，但目前尚不清楚这将以何种形式发生。为了进行进一步测试，他们在无菌的环境中种植了种子，并且听起来仍然可以保持生长，这意味着植物直接吸收了有机氮。他们还发现，某些形式的有机氮，例如胆碱和丙氨酸，即使在非常低的浓度下也能促进生长，这意味着它们还可以充当促进生长的生物活性化合物。

该研究的相应作者Yasunori Ichihashi表示：“使用多基因组学数字化农业生态系统是提取关键信息以增强作物产量的非常强大的工具。我们的发现暗示，与长期以来认为矿物质营养最重要的信念相反对于植物生长而言，有机氮也可以促进植物营养，这可以为减少未来作物生产中化学肥料的使用铺平道路，有助于实现重要的可持续发展目标之一。”