由日本理研生物資源科學(xué)中心領(lǐng)導(dǎo)的合作研究人員使用多組學(xué)方法分析了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，并成功地?cái)?shù)字化了農(nóng)田中植物，微生物和土壤之間的復(fù)雜相互作用。使用新方法，他們得出了令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，即有機(jī)氮在促進(jìn)植物生長(zhǎng)中起關(guān)鍵作用。這項(xiàng)發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的研究可以為更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)實(shí)踐鋪平道路。

1840年，德國(guó)科學(xué)家Justus von Liebig提出，植物需要輸入礦物質(zhì)(尤其是氮)才能正常生長(zhǎng)。然后，在20世紀(jì)初期，哈伯-博世(Haber-Bosch)工藝的發(fā)展使生產(chǎn)大量的氮基肥料成為可能，從而徹底改變了農(nóng)業(yè)。但是，有一個(gè)價(jià)格。肥料通常使用無(wú)機(jī)氮，無(wú)機(jī)氮會(huì)通過(guò)土壤滲入水中，導(dǎo)致污染。

作為對(duì)此的回應(yīng)，正在探索各種方式來(lái)促進(jìn)植物生長(zhǎng)而不使用有害肥料。一種是稱為“土壤日光化”的方法，該方法涉及將塑料片放在田野上以捕獲太陽(yáng)的熱量。這提高了土壤的溫度，并被認(rèn)為有助于防止妨礙植物生長(zhǎng)的雜草和寄生蟲。但是，促進(jìn)植物生長(zhǎng)的機(jī)制尚未完全了解。

為了弄清楚為什么日光化能起作用，RIKEN領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中他們使用了多種“組學(xué)”方法-觀察代謝組(檢查各種代謝產(chǎn)物)，離子組(查看元素的分布)，微生物組(對(duì)微生物概況的全面調(diào)查)和表觀(對(duì)植物表型的檢查)-檢查實(shí)驗(yàn)性農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。該田原被用來(lái)種植日本芥菜菠菜(Brassica rapa Var。perviridis)，被分為使用日光化和不使用日光化的部分。這些部分進(jìn)一步分為堆肥或化肥施用區(qū)域。

結(jié)果證實(shí)了先前的研究，表明日光照射的區(qū)域雜草更少，并且增加了植物新芽的重量。無(wú)論它們是否在日曬區(qū)生長(zhǎng)，這些植物本身都具有相似的特性，例如糖含量和葉形，從而使研究人員推測(cè)這種差異與土壤營(yíng)養(yǎng)有關(guān)。出乎意料的是，當(dāng)研究人員對(duì)土壤中的化合物和元素進(jìn)行分析時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)日光化的田地和非日光化的田地之間的無(wú)機(jī)氮濃度沒有差異。該網(wǎng)絡(luò)分析通過(guò)多組學(xué)使用農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化信息，導(dǎo)致他們懷疑有機(jī)氮源(例如氨基酸)正在助長(zhǎng)增長(zhǎng)。他們還發(fā)現(xiàn)了在植物根部生長(zhǎng)的細(xì)菌(稱為根際)的差異，這對(duì)于使植物能夠吸收氮非常重要。

盡管他們能夠確定有機(jī)氮的重要性，但目前尚不清楚這將以何種形式發(fā)生。為了進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試，他們?cè)跓o(wú)菌的環(huán)境中種植了種子，并且聽起來(lái)仍然可以保持生長(zhǎng)，這意味著植物直接吸收了有機(jī)氮。他們還發(fā)現(xiàn)，某些形式的有機(jī)氮，例如膽堿和丙氨酸，即使在非常低的濃度下也能促進(jìn)生長(zhǎng)，這意味著它們還可以充當(dāng)促進(jìn)生長(zhǎng)的生物活性化合物。

該研究的相應(yīng)作者Yasunori Ichihashi表示：“使用多基因組學(xué)數(shù)字化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是提取關(guān)鍵信息以增強(qiáng)作物產(chǎn)量的非常強(qiáng)大的工具。我們的發(fā)現(xiàn)暗示，與長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)最重要的信念相反對(duì)于植物生長(zhǎng)而言，有機(jī)氮也可以促進(jìn)植物營(yíng)養(yǎng)，這可以為減少未來(lái)作物生產(chǎn)中化學(xué)肥料的使用鋪平道路，有助于實(shí)現(xiàn)重要的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)之一。”