土壤不仅是作物扎根的介质，更是一个庞大而精密的生命网络。作物的健康和产量，不仅取决于地上部的生长，更依赖于根系周围的土壤环境和微生物群落。

研究团队。（浙大供图）

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8月15日，《科学》发表了浙江大学环境与资源学院徐建明教授与胡凌飞研究员团队最新研究成果。他们揭示了密植环境下的关键植物挥发物——芳樟醇，如何通过改变土壤化学和微生物组成，构建跨代防御的“地下长城”。该成果为破解密植带来的生物障碍风险提供了新思路，也为绿色农业和高效生产模式的构建奠定了理论基础。浙江大学博士研究生郭东升、刘子琳，荷兰皇家生态研究所Jos M. Raaijmakers为本文共同第一作者。

密植农业的“甜蜜烦恼”

在全球粮食安全与可持续农业的双重挑战下，高密度种植（以下简称密植）作为提升作物产量的重要手段，已被广泛应用于玉米等粮食作物的现代栽培体系中。

密植在高产的同时，也带来了一个“甜蜜的烦恼”——生物障碍风险：作物之间更近的距离可能加速病虫害等障碍生物在田间快速传播，从而威胁作物产量与稳定性。因此，在高密度环境中，作物如何主动调控防御系统、提升群体适应力，成为当前农业领域的重要科学问题。

“在海南地区田间考察时，我们注意到密植田地里中心的玉米植株比外围植株展现出更强的抗虫性抗病性，这个现象有些出乎意料。”徐建明介绍，团队成员们带着这个问题回到学校实验室，准备一探究竟。在逐一排除光照、根系分泌物等因素影响后，他们的目光聚焦到玉米叶片持续释放的一种天然挥发物——芳樟醇。

“我们发现芳樟醇在密植条件下显著积累，推测是因为在田地内部空气流动相对较弱，更有利于挥发物积累。”胡凌飞介绍。他们发现这种香气在冠层积累，从而触发邻近植株根系茉莉酸信号，促进根系分泌一种名为HDMBOA-Glc的苯并噁秦的化合物到根际，并显著富集有益的根际细菌，重塑土壤微生物群落。

玉米用“香气”语言与土壤对话

进一步实验发现，在芳樟醇的作用下，土壤中有益微生物菌群的富集能进一步刺激植物中水杨酸的合成并激活其信号通路，使植物防御能力显著增强，这一过程形成了一个完整的“植物—土壤—植物”的调控闭环。

“芳樟醇植物自身可以合成，具有令人愉悦的香气，是一种环境友好的化合物。有意思的是，芳樟醇对于土壤环境的影响具有跨个体、跨代次的效果。”徐建明说，土壤的“记忆效应”让这种微生物介导的防御能力可以跨代延续——即便在轮作中，下一季作物依旧能受益于前茬植物留下的有益微生物群落。

通过外源少量施加芳樟醇，团队发现后续作物的根结线虫、真菌病害和病毒病害发生率显著下降，秋行军虫取食量和生长速率降低约10–30%。这表明，芳樟醇不仅是作物自我免疫的天然“补剂”，更是调控土壤微生物、塑造健康土壤生态的关键信号分子。

“从田间现象到土壤机制”的研究路径

“土壤是植物们生存的基础，任何研究都不能脱离的土壤这个载体，所以我们团队一直致力于把土壤学的理论技术与作物健康研究紧密结合起来。”胡凌飞说，团队带着田间的问题，不仅在实验室条件下研究了作用机制，又回到农田，验证了密植对作物生长与防御的双重影响。

“团队通过整合微生物组学、代谢组学、分子生物学等多学科方法，有力的推动土壤学、植物保护学、微生物学等多学科的深度交叉融合。”胡凌飞介绍，研究不仅采用突变体与代谢标志物精准验证关键信号通路，还通过分离代表性根际菌株进行功能验证，厘清了土壤微生物在生物障碍消减中的关键作用。

将植物挥发物作为密植环境下抗性育种与田间管理的重要调控因子的设想，也在大麦等作物上得到证明。徐建明展望到：“未来，根据这种植物-土壤反馈机制，我们有望通过调控芳樟醇释放、定向激活根际微生物群落，或通过微生物菌剂形式加强作物防御能力，在不依赖农药的情况下提升作物群体健康度和生产稳定性，在农业生产实践中，具有广阔的推广前景。”

德国慕尼黑大学著名生物学家 Claude Becker 教授在同期《科学》上对本研究进行了深入点评。他认为，本研究是连接地上植物信号与地下土壤微生物生态的重大突破，揭示了芳樟醇在密植条件下驱动根际代谢、重塑微生物群落并增强植株防御的级联效应及关键作用。该研究因机制链条清晰、田间与实验紧密结合，以及在农业应用上的广阔前景而备受赞誉。

中国科学院南京土壤研究所张佳宝院士、中国科学院生态环境研究中心朱永官院士、瑞士伯尔尼大学Matthias Erb教授等多位科学家参与并指导该项工作。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adv6675