由日本理研生物資源科學中心領導的合作研究人員使用多組學方法分析了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，并成功地數(shù)字化了農(nóng)田中植物，微生物和土壤之間的復雜相互作用。使用新方法，他們得出了令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，即有機氮在促進植物生長中起關鍵作用。這項發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上的研究可以為更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)實踐鋪平道路。

1840年，德國科學家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。然后，在20世紀初期，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，有一個價格。肥料通常使用無機氮，無機氮會通過土壤滲入水中，導致污染。

作為對此的回應，正在探索各種方式來促進植物生長而不使用有害肥料。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的熱量。這提高了土壤的溫度，并被認為有助于防止妨礙植物生長的雜草和寄生蟲。但是，促進植物生長的機制尚未完全了解。

為了弄清楚為什么日光化能起作用，RIKEN領導的團隊建立了一個實驗，在實驗中他們使用了多種“組學”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(對微生物概況的全面調(diào)查)和表觀(對植物表型的檢查)-檢查實驗性農(nóng)業(yè)領域。該田原被用來種植日本芥菜菠菜(Brassica rapa Var。perviridis)，被分為使用日光化和不使用日光化的部分。這些部分進一步分為堆肥或化肥施用區(qū)域。

結果證實了先前的研究，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。無論它們是否在日曬區(qū)生長，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這種差異與土壤營養(yǎng)有關。出乎意料的是，當研究人員對土壤中的化合物和元素進行分析時，他們發(fā)現(xiàn)日光化的田地和非日光化的田地之間的無機氮濃度沒有差異。該網(wǎng)絡分析通過多組學使用農(nóng)業(yè)領域的數(shù)字化信息，導致他們懷疑有機氮源(例如氨基酸)正在助長增長。他們還發(fā)現(xiàn)了在植物根部生長的細菌(稱為根際)的差異，這對于使植物能夠吸收氮非常重要。

盡管他們能夠確定有機氮的重要性，但目前尚不清楚這將以何種形式發(fā)生。為了進行進一步測試，他們在無菌的環(huán)境中種植了種子，并且聽起來仍然可以保持生長，這意味著植物直接吸收了有機氮。他們還發(fā)現(xiàn)，某些形式的有機氮，例如膽堿和丙氨酸，即使在非常低的濃度下也能促進生長，這意味著它們還可以充當促進生長的生物活性化合物。

該研究的相應作者Yasunori Ichihashi表示：“使用多基因組學數(shù)字化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是提取關鍵信息以增強作物產(chǎn)量的非常強大的工具。我們的發(fā)現(xiàn)暗示，與長期以來認為礦物質(zhì)營養(yǎng)最重要的信念相反對于植物生長而言，有機氮也可以促進植物營養(yǎng)，這可以為減少未來作物生產(chǎn)中化學肥料的使用鋪平道路，有助于實現(xiàn)重要的可持續(xù)發(fā)展目標之一。”