日本理化學研究所（簡稱「理研」）與福島大學食農學類農業生產學課程的二瓶直登副教授等人組成的聯合研究團隊，成功實施了農業生態系中植物-微生物-土壤複雜關係的數化，由此可以科學地將熟練農民的經驗傳承下來，實施高級農作物生產技術視覺化。
這項研究成果表明，透過用有機氮取代化肥，能實施農作物的可持續生產，有望爲實施面向環境友好型新農業的可持續農作物生產做出貢獻。
使植物-微生物-土壤的複雜關係實施數化
聯合研究團隊嘗試透過在農業現場實施多組學分析，來實施農業生態系的數化。由此發現，在農業生態系中，由農作物的特定表徵（產量和品質等）以及特定微生物種類和土壤成分構成的多個模組組合形成了網路。另外還發現，透過有機耕作法之一的太陽熱處理在植物根圈形成了特徵性菌羣，而且土壤中積累的有機氮會促進農作物的成長。此外，在確定的土壤有機氮中，丙胺酸和膽鹼被證明可作爲氮源和生理活性物質促進農作物成長。
研究方法與成果
圖1：透過實施多組學分析使農業生態系實施數化
（1）將大棚内分成不同的區域，用不同的耕作法種植了日本油菜。（2）從各試驗區採集農作物和土壤的樣本後，對各區域的農作物、微生物和土壤分別實施了多組學分析。透過用整合了所有採集資料的資料矩陣實施相關網路分析，成功地使農業生態系實施數化。分析發現，在農業生態系中，由農作物的表徵以及特定菌羣和土壤成分構成的多個模組組合形成了網路。尤其是透過此次分析發現，包含農作物產量的模組與包含土壤中的無機氮的模組不同。
聯合研究團隊着眼於千葉縣八街市的熟練農戶正在實務的有機耕作法。這種耕作法對土壤進行了太陽熱處理，經應答，此前進行過太陽熱處理的大棚實施了滅菌、除草和促進農作物成長的效果，不過一直不清楚具體終極因數。因此，研究團隊根據施用化肥還是堆肥、是否實施太陽熱處理，在同一個大棚内設置了採用上述不同耕作法的4塊試驗區，在各試驗區種植了日本油菜（圖1-1）。
試驗發現，土壤中設置的電位感測器顯示，太陽熱處理會大幅改變土壤的物理可用能環境（本次試驗實施了5周，將每日土壤的溫度合計在一起超過了1000℃），無論施用化肥還是堆肥，日本油菜的產量都增至約1.7倍。不過，日本油菜的其他表徵（植物地上部分的總代謝產物、葉子形狀、光合活性、含糖量、酸度、葉子的色料、病害、味道）未發現顯著差異，由此應答，太陽熱處理能在保持同等品質的基礎上，增加日本油菜的產量。另外，第二年也應答了太陽熱處理促進成長的效果。
爲了應答土壤的太陽熱處理對構成農業生態系的植物-微生物-土壤帶來了什麼變化，聯合研究團隊首先利用核磁共振（NMR）法，分析了耕種前和收穫時的土壤代謝物。利用檢測出來的代謝物資料對主要成分進行分析發現，試驗區之間檢測出了明顯的差異，因此，即使是在不同物理可用能位置設置的試驗區，也分別反映了基於4種不同處理的土壤特性。不過，無機氮（氨態氮和硝酸態氮）的濃度並沒有因爲實施或未實施太陽熱處理而出現顯著差異。因此，可以認爲李比希的無機營養說不能解釋太陽熱處理的成長促進效果。
接下來，聯合研究團隊利用新一代測序儀對土壤和根圈的菌羣進行分析發現，太陽熱處理會大大影響農作物根圈成長的細菌種類，而不是土壤整體的細菌。經應答，是對菌門產生了顯著影響。在實施了太陽熱處理的土壤種植的植物根圈，異常球菌-棲熱菌門和厚壁菌門增多，尤其是作爲促進植物成長的根圈細菌，類孢子桿菌屬和假單胞菌屬隨着太陽熱處理而增多。這些結果表明，作爲自然物質循環的有機物質與根圈菌羣的相輔作用，與基於太陽熱處理的成長促進效果有關。
因此，爲了使與太陽熱處理相呼應的植物-微生物-土壤的複雜網路「原封不動」地實施數化，聯合研究團隊實施了整合所有資料的相關網路分析（圖1-2）。發現在農業生態系中，由農作物的特定表徵（產量和品質等）以及特定細菌種類和土壤成分構成的多個模組組合形成了網路。這種結構與其他生物學現象中經常觀察到的網絡式結構相似，而且反映了農業生態系中的不同植物-微生物-土壤化育層之間有幾十種複雜的相輔作用。
圖2：有機氮對農作物成長的影響
（1）在包含農作物產量的模組中，氨基酸等有機氮屬於樞紐節點。（2）因此，透過無菌栽培實驗系統分析作爲樞紐節點的有機氮對農作物的影響時發現，丙胺酸作爲營養源，膽鹼和丙胺酸作爲生理活性物質促進了農作物的成長。（3）另外，實施了同位素標記的丙胺酸添加試驗顯示，丙胺酸被從根部吸收，並代謝爲琥珀酸、麩醯胺和脯胺酸。
此外，包含農作物產量的模組中含有氨基酸等有機氮和根圈細菌，尤其是土壤中的有機氮被作爲樞紐節點檢測出來（圖2-1）。這表明，檢測出來的有機氮作爲透過太陽熱處理誘導的有機物質與根圈菌羣的相輔作用的最終產物，促進了植物的成長。
接下來，聯合研究團隊利用日本油菜的無菌培養系統實施了有機氮添加實驗，發現氨基酸中的丙胺酸和營養素膽鹼可作爲營養源和生理活性物質增加產量（圖2-2）。尤其是丙胺酸，能同時作爲營養源和生理活性物質發揮作用，因此，研究團隊使用透過碳和氮兩種穩定同位素標記的丙胺酸，調查了丙胺酸是如何被植物吸收和代謝的。結果發現，日本油菜直接吸收丙胺酸，另外，吸收的丙胺酸會被代謝成琥珀酸、麩醯胺和脯胺酸（圖2-3）。這表明，植物將氨基酸作爲營養源直接吸收，從而可以節約利用無機氮合成氨基酸的代謝能量。
此外，透過向土壤中添加丙胺酸的試驗應答，這樣可實施與無機氮同等程度的增產，而且，隨着栽培期間土壤中丙胺酸濃度下降，無機氮的濃度會升高。這說明，丙胺酸在土壤中被植物直接吸收，同時分解成了無機氮。以上結果表明，透過太陽熱處理誘導的有機氮會直接或間接地作爲營養源被利用，同時還會作爲生理活性物質發揮作用，作用機制比較複雜。
論文資訊
題目：Multi-omics analysis on an agroecosystem reveals the significant role of organic nitrogen to increase agricultural crop yield
期刊：《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（PNAS）
DOI：10.1073/pnas.1917259117
文：JST客觀日本編輯部
