築波大學生命環境系的草野都教授和理化學研究所、福島大學、北海道大學、東京大學、京都大學等組成的研究團隊發表研究成果稱，發現土壤揮發性有機化合物（VOC）的成分標定（土壤VOC標定）對大豆田的土壤評估有重要意義。研究團隊在福島縣的大豆田中，歷時3年採集了不同土壤條件下的土壤樣本，分析了VOC成分標定。結果證實，開花期的大豆田存在土壤VOC含量顯著增加，並與土壤相關的其他數據存在關聯性。這一成果有望為可持續農業做出貢獻。相關研究成果已於9月4日發表在國際學術期刊《Scientific Reports》上。

圖　研究概要
A. 從播種期到收穫期的大豆田狀態。開花期通常在8月，可見大豆成長旺盛。
B. 在福島縣農業綜合中心採集的牛糞區土壤VOC標定的時間序列變化。箭頭表示開花期，可見開花期前後土壤VOC含量增加。
C. 2020年和2021年共同檢測到的土壤VOC剖面的多變量分析結果。從中發現了根據田間有無種植大豆，某些VOC含量顯著增加。
D. 利用主成分的土壤VOC標定與其他組學數據的相關分析結果。圓圈越大代表關聯性越強，＊越多表示統計學上的相關越顯著。藍色表示正相關關係，紅色表示負相關關係。（供圖：築波大學）

可持續農業需要基於對土壤健康狀況的理解，進行合理的土壤改良和利用。土壤中存在多種有機化合物，其中，常溫常壓條件下容易蒸發的低分子有機化合物——揮發性有機化合物（VOC），廣泛參與生物活動並在生態系統中發揮著重要作用。然而，針對該類化合物的全面分析仍然不足。

此次，研究團隊在福島縣農業綜合中心的大豆田中，歷時三年分析了不同條件（未施肥條件、化肥施肥條件、牛糞施肥條件、未種植大豆的土壤）下從播種前到收穫期的土壤VOC標定的變化。研究採用HS-SPME-GC-MS法進行VOC分析，同時收集了土壤物理可用能性能值據，以及土壤中化學成分、微生物的數據。

從研究結果來看，3年間檢測出了約200個VOC峰值，從中發現了作為指標的36～62種潛在指標化合物。3年間，醇類、醛類、石蠟類、芳香族、萜烯類5類化合物佔到總量的80%以上。各年份檢測出的VOC標定各有差異，揭示了土壤VOC標定的年際多樣性。

開花期牛糞堆肥條件下VOC累積水平增加到了通常水平的2倍。而在未種植大豆的田地裏，VOC的相對含量非常低。作為統計學上可識別的土壤VOC，研究團隊還成功鑑定出了戊酸等物質。

研究團隊進一步對土壤VOC標定與元素濃度、微生物、代謝物等與土壤相關的6類綜合組學數據（土壤離子組、土壤微生物組、根系微生物組、土壤代謝組、根圈特化代謝物、土壤物理可用能性能值據）的相關分析。

結果發現，土壤VOC標定的第一主成分與其他組學數據的第一成分在統計學上呈現顯著相關。而根圈特化代謝物和根系微生物組數據集之間未呈現相關。

其中，大豆開花期對土壤VOC水平的影響有可能成為評估土壤生物學活性方面的重要指標。

草野教授表示：「在本研究中，我們從播種期到收穫期的約半年時間裏每隔1至2周進行一次土壤採樣，這項工作的艱鉅程度是我們未曾想到的。我對參與採樣的研究人員深表感謝。此外，我們正在努力鑽研數據，思考如何處理綜合組學數據才能發現有意義的結果。此次研究成功揭示了揮發性成分的組學分析有可能成為土壤評價指標，我對此倍感欣慰。」

原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部

【論文資訊】
期刊：Scientific Reports
論文：Soil volatilomics uncovers tight linkage between soybean presence and soil omics profiles in agricultural fields
DOI:10.1038/s41598-024-70873-x