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连作障碍（CC）严重制约全球农业发展，为探究植物应对机制，四川农业大学等研究人员以 10 年连作马铃薯为对象开展研究。结果发现，马铃薯可分泌诺必列汀（nobiletin）招募 Pantoea sp. MCC16，增加根际吲哚 - 3 - 乙酸（IAA）含量，缓解连作障碍。该研究为解决连作问题提供新思路。
在农业生产的大舞台上，连作障碍（Continuous cropping obstacles，CC）就像一个顽固的 “大反派”，严重阻碍着全球农业的发展。传统的连作方式虽然能在短期内满足作物产量的需求，但长期连作会引发一系列棘手的问题，比如土壤生态系统失衡、土传病害肆虐、植物自毒作用加剧等，这些问题不仅大大降低了作物的产量和品质，还威胁着农业的可持续发展。就拿马铃薯来说，作为世界四大粮食作物之一，它营养丰富、适应性强，却因为茄科植物对连作的天生 “不耐受”，在连作时面临着诸多挑战。在连作的土壤中，马铃薯幼苗的生长常常受到显著抑制，即使没有明显的病虫害，土壤中自毒物质的积累也会让它们 “苦不堪言” 。
为了攻克这一难题，来自四川农业大学、甘肃省农业科学院马铃薯研究所等机构的研究人员挺身而出，展开了一场深入的探索之旅。他们以 10 年连作的马铃薯为研究对象，试图揭开马铃薯应对连作障碍的神秘面纱。经过一系列严谨的实验和分析，他们取得了令人瞩目的成果：发现马铃薯在连作条件下，能够主动分泌一种名为诺必列汀（nobiletin）的物质，这种物质就像一个 “信号兵”，可以招募一种叫 Pantoea sp. MCC16 的细菌在根际富集。而 Pantoea sp. MCC16 能产生大量的吲哚 - 3 - 乙酸（indole - 3 - acetic acid，IAA），IAA 就像是植物生长的 “助推剂”，它能增加根际 IAA 含量，促进马铃薯不定根（adventitious root，AR）的增殖，进而缓解连作障碍对马铃薯生长的抑制，提高马铃薯的产量。这一发现意义重大，为解决马铃薯乃至其他作物的连作障碍问题提供了全新的思路和方向，相关研究成果发表在《Plant Communications》上。
研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。首先是田间定位试验，在甘肃定西的马铃薯实验站设置不同连作年限的地块，采集样本用于后续分析。其次，进行土壤灭菌和菌群移植盆栽实验，以探究土壤微生物在连作中的作用。再者，运用 16S rRNA 绝对定量分析和非靶向代谢组学分析，分别研究根际微生物群落结构和根系分泌物中的代谢物。最后，通过细菌分离培养、筛选 IAA 产生菌株等实验，验证相关菌株和代谢物对马铃薯生长的影响 。
研究结果主要如下：
- 自毒作用抑制马铃薯植株生长：在连作条件下，马铃薯幼苗生长受到显著抑制。在幼苗期，非连作（NCC）马铃薯不定根数量在出苗后 10 - 20 天显著增加，而连作（CC）马铃薯在 20 - 30 天才显著增加。CC 马铃薯根的 IAA 含量在 20 天达到最大值，且其植株高度、茎粗、叶和根干重等指标均低于 NCC，产量也显著下降。同时，CC 土壤中香草醛（vanillin）含量显著高于 NCC 土壤，CC 还抑制了根 IAA 合成基因的表达，促进了 IAA 响应基因的表达 。
- 土壤微生物促进连作马铃薯植株生长：通过土壤灭菌试验发现，CC 土壤中的微生物能够促进马铃薯植株生长。在 CC 土壤中，灭菌后不定根数量在幼苗期无显著增加，而自然土壤中 20 - 30 天显著增加；且 CC 土壤微生物在 20 天对增加根际和根中 IAA 含量效果最明显，同时能显著增加 CC 马铃薯产量 。
- Pantoea sp. MCC16 促进连作马铃薯生长：分析根际细菌群落结构发现，CC 改变了群落结构，使 Pantoea sp. MCC16 的丰度增加。该菌株 IAA 产生能力强，用其菌悬液处理 CC 马铃薯后，根际和根中 IAA 含量显著增加，不定根数量和产量也随之增加 。
- 连作马铃薯根系分泌物促进植株生长：收集 CC 和 NCC 马铃薯不同时期的根系分泌物进行灌溉试验，发现 CC20 的根系分泌物能直接促进 Pantoea sp. MCC16 在马铃薯根际定植。通过非靶向代谢组学分析筛选出 29 种在 CC20 中显著增加的代谢物，其中 11 种与 MCC16 的绝对丰度显著正相关 。
- 诺必列汀通过招募 Pantoea sp. MCC16 缓解马铃薯连作障碍：体外试验表明，诺必列汀能显著刺激 Pantoea sp. MCC16 的趋化性和生物膜形成。在 CC 土壤中施加外源诺必列汀，可显著增加 Pantoea sp. MCC16 的丰度和不定根数量。盆栽试验还发现，诺必列汀和 Pantoea sp. MCC16 均能显著增加马铃薯产量，但作用方式不同 。
研究结论表明，马铃薯在连作香草醛胁迫下，通过增加根 IAA 含量和不定根数量来缓解连作障碍。其根系分泌诺必列汀，招募高 IAA 产生的 Pantoea sp. MCC16，提高根际 IAA 水平，增强根对 IAA 的吸收，从而促进植株生长。在讨论部分，研究人员指出，植物应对连作障碍的策略不是直接减少自毒物质含量，而是补偿生长缺陷。根际微生物群落的变化对连作植物根系形态发生有重要作用，根系分泌物在植物 - 土壤系统自修复中也扮演关键角色。此外，本研究还为利用有益微生物和调控根系分泌物解决连作障碍问题提供了理论依据和实践指导，有助于推动可持续农业的发展 。
