近期，南京农业大学资源与环境科学学院沈其荣院士团队LorMe实验室在微生物VOCs调控植物表型提高生产力方面取得重要进展，成果以《Microbe-induced phenotypic variation leads to overyielding in clonal plant populations》发表于《Nature Ecology & Evolution》。该工作探究了不同土壤有益菌产生的挥发性产物（VOCs）对植物表型特征和生物量的影响，首次揭示了土壤微生物VOCs通过激发植物表型变异，提升植物生产力的微生态机制，开辟了土壤微生物VOCs与作物产能提升研究的新视角。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。植物遗传多样性和微生物多样性等引起植物表型多样性，从而造成群落生产力的改变。大量证据表明，在自然生态系统中，生物多样性对植物群落生产力的提升至关重要，其生态学机制包括多样性效应，抽样效应和超产效应等，同时也会受到环境的影响。根际土壤微生物作为环境因素的代表，其多样性与作物群落生产力密切相关。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。1. 根际细菌VOCs激发植物表型变异首先，我们评估分析了191株根际细菌产生的VOCs对拟南芥植物表型的影响，发现4株根际细菌VOCs可在平板条件下显著改变植物的表型（图1a-b）。微生物VOCs处理影响了植物生活史特征，如植株高度、莲座叶面积、地上生物量和角果数量（图1c-d）。随后，将表型不同的植物按照1、2、4的多样性移植盆栽混合培养，并设置28个处理组合。通过测定混合培养植物的生活史特征，比较表型之间的促进或竞争互作，从而明确植物表型多样性对群落功能的影响（图1a）。2. 根际细菌VOCs调控植物生活史特征随种植密度和时间动态变化规律将不同密度和表型的拟南芥移植到盆栽中发现，植物密度通常与测定的植物生活史特征为负相关性（图2a），并且这种效果随时间的推移而增加（图2b）。此外，与未处理的相比，使用微生物VOCs处理均提高了植物的株高、莲座叶面积、地上生物量和角果数量等生活史特征值，表明微生物VOCs处理对植物的性状具有积极作用（图2a）。随着盆栽中植物表型多样性和时间的增加，盆栽中植物的生活史特征值进一步提高，这表明其潜在的机制可能是缓解了植物种内竞争（图2a-b）。
图2 细菌VOCs调控植物生活史特征随种植密度和时间动态变化规律当植物密度从每盆2株增加到了每盆4株时，植物成对竞争互作从40%减少到21%，成对促进互作从45%增加到62%（图3）。
图3 四种植物生活史特征值与植物表型成对相互作用
3. 微生物诱导的植物表型多样性在组合培养中表现超产效应在植物密度最高（每盆4株）的情况下，不同细菌诱导的表型多样性对植物间互作具有更深远的影响。这种影响主要归因于表型互补性（图4a）。这些正相互作用非常显著，足以引起植株高度、莲座叶面积、地上生物量和角果数量等生活史特征的超产效应（图4a）。研究结果显示，在两种表型和四种表型处理中，有48-58%的情况表现优于其表现最好的单一表型处理（图4a）。在四种表型的植物混合物中，这些较高的生活史特征值可以归因于表型之间促进互作的普遍性（图4a）。这种促进作用与所测植物性状表型距离相关（图4b），说明微生物诱导的表型互补性可以促进植物混合培养的超产效应。图4 微生物诱导的植物表型多样性在组合培养中表现超产效应
本研究表明土壤微生物VOCs诱导的植物表型多样性和生产力呈正相关，强调了在没有植物遗传多样性的情况下，微生物生物多样性在塑造植物群落和功能方面的重要性。此外，本文发现增加微生物VOCs介导的植物表型多样性可以减轻种内竞争，促进邻近植物之间的有益相互作用。因此，微生物被认为是影响生物多样性-生态系统功能（Biodiversity–ecosystem functioning，BEF）关系的主要因素之一，为生物多样性提升植物群落生产力提供了新的解释。
论文信息
原名：Microbe-induced phenotypic variation leads to overyielding in clonal plant populations
译名：土壤有益菌VOCs提升植物生产力的微生态机制
期刊：Nature Ecology & Evolution
DOI：10.1038/s41559-023-02297-1
发表时间：2024
通讯作者：韦中，Alexandre Jousset
通讯作者单位：南京农业大学资源与环境科学学院
