花生/玉米间作系统根系分泌物通过调控氮周转过程促进花生生长与产量的应用研究

本研究针对豆科/禾本科间作系统促进作物生长的生理机制不明问题，通过代谢组学鉴定花生/玉米间作根系分泌物特征组分（蔗糖SUC、草酸OA、肌醇MI），筛选最佳施用浓度（OA 1.0 g/盆、SUC/MI 0.1 g/盆），揭示SUC通过激活氮代谢酶（S-NR、S-NiR）及根系糖酵解-TCA循环通路，显著提升花生生物量（茎叶增幅57.6%）和荚果产量（增产44.8%），为生态农业提供新型生物刺激剂策略。

　　

在可持续农业发展的背景下，如何通过生态友好的方式提高作物产量成为关键科学问题。豆科作物因其固氮能力被视为农业系统的"绿色引擎"，但长期以来，人们对豆科/禾本科间作系统（如花生/玉米间作）中根系分泌物如何调控作物互作的分子机制知之甚少。传统施肥策略虽能短期增产，却伴随环境污染风险，而植物源生物刺激剂的开发为破解这一困境提供了新思路。

青岛农业大学的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究，首次系统解析了花生/玉米间作系统根系分泌物的"化学语言"。通过非靶向代谢组学，研究人员发现间作系统显著降低了根系分泌物中蔗糖(SUC)和肌醇(MI)含量，同时富集了草酸(OA)。这一发现如同破解了作物间的"密电码"，为人工模拟间作效应提供了精准靶点。

研究采用多组学联用技术：UHPLC-QE-MS非靶向代谢组学鉴定关键代谢物；盆栽实验筛选最佳浓度梯度（0.05-1.0 g/盆）；RNA-seq分析SUC处理的根系转录组；qRT-PCR验证关键基因；连续流动分析仪测定土壤氮形态（NH₄⁺-N、NO₃^--N）；比色法检测5种氮代谢酶（S-UE、S-HR等）。田间样本来自山东地区主栽品种"青花6号"花生和"金海188"玉米。

关键代谢物鉴定

代谢组热图显示，单作花生根系分泌物中糖醇类（如肌醇3）和碳水化合物（如蔗糖）显著高于间作系统，而有机酸（如草酸）则呈现相反趋势。KEGG分析揭示"肌醇磷酸代谢"和"半乳糖代谢"通路是间作调控的核心靶点（图3）。

浓度效应解析

雷达图表明0.1 g/盆SUC处理使花生净光合速率(Pn)提升52.5%，而1.0 g/盆OA处理显著增加叶面积指数(LAI)（图4）。值得注意的是，肌醇处理反而抑制生长，暗示其在信号传递而非营养供给中发挥作用。

氮周转机制

SUC处理使土壤硝酸还原酶(S-NR)活性提升2.4倍，同步增加根系AMT1（铵转运蛋白）和NRT2（硝酸盐转运蛋白）基因表达（图6,8D）。代谢组-转录组联合分析发现，SUC通过激活糖酵解-TCA循环关键基因（如FBA、MDH），促进天冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)合成，形成碳-氮代谢耦合网络（图8C-E）。

这项研究开创性地证实：间作系统根系分泌物中的蔗糖可作为"代谢开关"，通过三重机制提升花生生产力——（1）激活土壤氮周转酶系；（2）诱导根系氮转运基因表达；（3）重构碳骨架流向氨基酸合成。相比传统化肥，这种"以植物治植物"的策略使荚果产量提升55.6%，且无环境污染风险。研究不仅为间作优势提供了分子证据，更为开发新一代生物肥料提供了理论支撑，对推动生态农业转型具有重要意义。