Science | 徐建明/胡凌飞等芳樟醇介导的植物-土壤反馈机制驱动密集种植的玉米植株的防御适应性-开发者社区

研究论文

● 期刊：Science(IF:45.5)

● DOI：https://doi.org/10.1126/science.adv6675

● 原文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv6675

● 第一作者：Dongsheng Guo (郭东胜)；Zilin Liu (刘紫琳) ；Jos M. Raaijmakers

● 通讯作者：Jianming Xu (徐建明)（jmxu@zju.edu.cn (J.X.)）；Lingfei Hu (胡凌飞)（ lingfeihu@zju.edu.cn (L.H.)）

● 合作作者：Yachun Xu; Jinghui Yang; Matthias Erb; Jiabao Zhang; Yong-Guan Zhu

● 发表日期：2025-8-14

● 主要单位：

浙江大学环境与资源学院、浙江大学海南研究院、荷兰生态研究所微生物生态学系、莱顿大学生物学研究所、伯尔尼大学植物科学研究所、中国科学院土壤研究所、中国科学院生态环境研究中心

摘要Abstract

引言（INTRODUCTION）

提高作物种植密度可增加总产量，但同时也会提高病虫害爆发的风险。尽管植物能够通过调整株型适应拥挤环境，但其如何调控免疫反应的机制仍不明确。理解植物如何平衡 “生长 - 防御” 的权衡关系，对于可持续农业至关重要，尤其是在全球粮食需求持续增长的背景下。

研究依据（RATIONALE）

植物会释放挥发性有机物等化学信号，向邻近植株传递环境信息。芳樟醇（linalool）便是其中一种关键化合物，是玉米及其他禾本科植物叶片持续释放的挥发性物质。我们提出假设：在密植农田中，芳樟醇可作为信号分子，触发植物 - 土壤反馈，帮助邻近植株应对潜在的生物胁迫。本研究旨在探究芳樟醇如何影响根系信号传导、土壤微生物群，进而调控植物的防御与生长过程。

结果（RESULTS）

田间调查发现，在高密度种植的玉米田内，内侧行植株遭受的植食性害虫危害显著低于田边植株，但内侧植株的生长量也有所下降。实验室土壤移植实验证实：经高密度植株驯化的土壤，会降低后续种植植物的生物量，同时增强其对昆虫、线虫及病原体的抗性，且这种效应在不同基因型和物种中均存在。

挥发性物质分析表明，芳樟醇是随种植密度增加而含量上升的关键化合物。向玉米暴露人工合成的芳樟醇，可复现上述植物-土壤反馈效应，且该过程需活植株参与。从机制上看，芳樟醇会激活根系中的茉莉酸信号通路，上调特定基因的表达，这些基因可驱动特化代谢产物 HDMBOA-Glc（2-（2 -羟基- 4,7 - 二甲氧基- 1,4 -苯并噁嗪- 3-酮）-β-D -吡喃葡萄糖苷）的生物合成与根系分泌。该分泌物会重塑根际微生物组，选择性富集特定细菌类群：这些细菌虽会抑制植物生长，但能增强后续种植植物的抗性。土壤灭菌实验与微生物接种实验进一步证实，这些微生物是维持该反馈循环的关键。

在经芳樟醇驯化的土壤中生长的植物，其防御相关信号通路（尤其是水杨酸信号通路）表达上调，而促生长代谢通路表达下调。缺乏水杨酸信号通路的植物，未表现出 “生长 - 防御” 的权衡关系，这一结果证实水杨酸在反馈触发型防御反应中的核心作用。

结论（CONCLUSION）

本研究揭示了一种由挥发性物质触发的反馈机制：玉米通过该机制在拥挤环境中调整自身防御能力。芳樟醇的持续释放会通过以下过程 “预处理” 邻近植株：激活根系茉莉酸信号、促进HDMBOA-Glc分泌、改变根际微生物组；进而通过水杨酸信号通路，使后续植物的防御能力提升、生长受抑。

这些发现阐明了植物如何整合地上部信号与地下部过程，在高密度环境中优化防御策略。通过育种、微生物接种或合成生物学手段利用这一自然防御通路，有望培育出抗逆性更强、化学投入需求更低的作物品种，为可持续农业提供新方向。

引言Introduction

提高作物产量对于保障全球粮食安全、实现联合国可持续发展目标2（即 “2030 年消除饥饿”）至关重要。增加种植密度过去是、现在仍是实现作物生产力最大化的核心农艺策略。过去几十年间，该策略在多个地区（包括美国、中国、巴西及法国）的产量提升中发挥了显著作用。目前，关于密植的研究主要聚焦于植物如何通过表型可塑性适应高密度环境并正常生长。以玉米（Zea mays）为例，高密度种植会诱导其地上部与根系构型发生改变，包括叶片角度变陡、根系系统更紧凑，以此减少对光照和养分的竞争。育种工作已利用这些性状培育耐高密度品种，旨在进一步提升产量潜力。

尽管密植可提高总产量，但同时也会增加病害爆发与植食性害虫侵扰的风险，而这一因素常被忽视。高密度种植会改变田间微气候：一方面降低空气流通性，另一方面增加植株表面的水分滞留量，这些条件均有利于病原体繁殖。此外，植株间距过近会加速植食性害虫与病原体的扩散。然而，目前对于植物在密植条件下如何调整防御机制以降低自身对病原体和植食性害虫的易感性，相关认知仍较为匮乏。这一知识缺口限制了密植技术在可持续农业中的优化应用潜力。

植株间相互作用对于塑造群落组成与动态至关重要，在高密度环境中尤为显著。光照质量与光照强度、根系分泌物、叶片挥发性物质等多种环境信号，可传递关于邻近植株的距离、生理状态及潜在威胁的关键信息。显然，这些信号的存在与否、强度大小及可靠性高度依赖植株间距：在高密度种植条件下，植株间距离更近，化学信号更强；而在低密度条件下，这些信号可能因强度过弱而无法触发有效的响应。在此背景下，高密度环境中的植物能否利用这些信号降低病害与植食性害虫侵扰风险，最终提升整个植物群落的生长表现与适合度？

为解答这一问题，本研究探究了玉米植株在密植环境中的防御可塑性。研究结果揭示了一种复杂机制：植物通过叶片挥发性物质介导的植株间相互作用及植物-土壤反馈，调控自身生长与防御，从而实现对高密度种植条件的适应。

结果Result

种植密度通过植株间相互作用影响田间植物的生长与防御

为探究种植密度是否通过植株间相互作用影响植物防御，本研究在4块独立玉米田开展了植食性害虫取食调查。参考中国玉米最适种植密度，将Ⅰ号田与Ⅱ号田设为较低密度种植（约6万株/公顷），Ⅲ号田与Ⅳ号田设为较高密度种植（约12万株/公顷）。每块田均划分为内部区域与边缘区域，以评估植物生长及植食性害虫取食情况的空间差异（图1A）。在高密度条件下，作物群体内部区域的植株间相互作用（如遮荫、空气流通减弱）通常比边缘区域更为强烈。在高密度种植田（Ⅲ号田与Ⅳ号田）中，内部区域的植食性害虫危害程度显著低于边缘区域（图 1B）。相反，在这些高密度种植田中，植株高度、地上部生物量、单穗籽粒产量及千粒重均表现为边缘区域高于内部区域（补充图S1）。然而，在低密度种植田（Ⅰ号田与Ⅱ号田）中，未观察到上述规律（图1B及补充图S1）。这些结果表明，在密植环境中，植株间相互作用对植物生长与防御的调控具有关键作用。

种植密度通过植物-土壤反馈影响植物生长与防御

图1 |种植密度通过植物 - 土壤反馈增强植物防御并抑制生长

（A）玉米田植食性害虫取食调查示意图。如图所示，将试验田划分为内部区域与边缘区域；（B）4块独立玉米田内部区域与边缘区域的植食性害虫取食强度；（C）土壤移植试验设计图。将玉米单株种植于独立花盆中，培养至四叶期；随后将这些植株按不同密度排布，处理3天（白色花盆代表不含植株的原状土）。密度处理3天后，移除植株但保留驯化土；将各密度处理组的驯化土进行均质化处理并过筛，随后将新的玉米植株种植于这些驯化土中，通过合理间距设计避免种植密度对新植株生长与防御产生直接影响；（D）新玉米植株在不同密度驯化土中的生长表型；（E）新玉米植株在不同密度驯化土中的地上部生物量；（F）毛虫日增重率；（G）叶片受害程度

为评估种植密度是否通过植物-土壤反馈影响植物生长与防御，同时排除根系间直接相互作用的干扰，本研究首先在温室中开展实验：将玉米单株分别种植于装有田间原状土的独立花盆中，培养至四叶期。随后，将这些植株按不同密度（50株/平方米、100株/平方米、150株/平方米、200株/平方米）进行排布（图 1C）。随着密度升高，冠层下方的光合有效辐射及红-远红光比值均显著下降（补充图 S2），这一结果证实高密度光照环境构建成功。经过3天密度处理后，移除植株但保留经处理的土壤（即“驯化土”）；随后将新的玉米植株种植于这些驯化土中，并通过合理间距设计，避免种植密度对新植株的生长与防御产生直接影响（图 1C）。该实验设计可确保：新植株在生长或防御性状上出现的任何差异，均由植物-土壤反馈导致，而非根系间直接相互作用或即时密度效应的干扰。

实验观察发现，驯化阶段的种植密度越高，响应阶段新玉米植株的地上部生物量越低：此前经50株/平方米密度驯化的土壤中，新植株生物量最高；而经200株/平方米密度驯化的土壤中，新植株生物量最低（图 1D、E）。此外，在200株/平方米密度驯化土中生长的植株，整个生长周期内均表现出根系系统更小、株高更矮、叶绿素含量更低的特征（补充图S3）。与之相反，新玉米植株的抗虫性呈现完全相反的趋势：50株/平方米密度驯化土中植株的抗虫性最低，200株/平方米密度驯化土中植株的抗虫性最高（图 1F、G及补充图 S4）。具体而言，叶片咀嚼性害虫秋粘虫（Spodoptera frugiperda）的幼虫，在取食150株/平方米和200株/平方米密度驯化土中的玉米植株后，生长受到显著抑制，且造成的危害程度更轻（图 1F、G）；同样，在200株/平方米密度驯化土中生长的玉米根系上，根结线虫（Meloidogyne incognita）形成的根结数量显著减少（补充图 S4A、B）；由真菌玉米大斑病菌（Exserohilum turcicum）引起的玉米大斑病，在200株/平方米密度驯化土的植株中发病率也更低（补充图 S4C、D）；此外，导致玉米矮花叶病的水稻黑条矮缩病毒，其在200株/平方米密度驯化土植株中的复制量及毒力均显著降低（补充图 S4E、F）。综上，这些结果表明：种植密度可触发植物-土壤反馈，进而导致植物生长受抑，但同时增强其对地上部与地下部植食性害虫、以及真菌和病毒病原体的防御能力。

接下来，本研究探究上述种植密度诱导的植物-土壤反馈效应是否依赖玉米基因型。额外选取3个玉米品种（B104、W22、KN5585），先按50株/平方米和200株/平方米的密度种植于原状土中以获得驯化土，随后将各品种分别种植于对应的驯化土中。结果显示，在所有供试玉米品种中，高密度种植均一致导致植株生长受抑、抗性增强（补充图 S5）。为验证该植物-土壤反馈效应是否跨物种存在，本研究将玉米分别与黑麦草（Lolium perenne）或大麦（Hordeum vulgare）混种，随后评估玉米驯化土对后续植物的反馈效应（补充图 S6A）。结果表明，与黑麦草或大麦进行高密度混种后，后续种植的玉米同样表现出生长受抑、抗虫性增强的特征（补充图 S6B~D）。为进一步验证该反馈效应是否对玉米具有特异性，将黑麦草或大麦种植于经50 株/平方米或200株/平方米密度玉米驯化的土壤中（补充图 S7A），发现黑麦草与大麦在高密度玉米驯化土中生长时，均表现出抗虫性增强、生长受抑的现象（补充图 S7B、C）。最后，以黑麦草或大麦自身按高低密度种植以获得驯化土，结果显示这两种植物在高密度自驯化土中生长时，同样表现出抗性增强的特征（补充图 S8）。

综上，这些结果证实：种植密度可通过改变植物-土壤反馈，实现对植物生长的抑制与防御能力的增强；该效应在不同玉米基因型中表现一致，且在不同植物物种间具有功能可传递性。

叶片挥发性物质芳樟醇驱动种植密度介导的植物-土壤反馈

图2 |芳樟醇驱动种植密度介导的植物 - 土壤反馈

(A)采用固相微萃取法，在露天环境中对不同密度种植玉米释放的挥发性物质进行检测，所得的代表性气相色谱-质谱联用（GC/MS）总离子流图；（B）新玉米植株在不同驯化土中的地上部生物量；（C）毛虫增重；（D）叶片受害程度——所述驯化土前期为暴露于对照组（Con，无芳樟醇）或释放装置释放的人工合成芳樟醇组（Lin）的植株所驯化；（E）野生型（WT）玉米与芳樟醇合成缺陷型突变体tps2释放挥发性物质的GC/MS选择离子流图；（F）新玉米植株在不同驯化土中的地上部生物量；（G）毛虫增重；（H）叶片受害程度——所述驯化土前期的制备条件包括：50株/平方米或200株/平方米密度种植的WT玉米、50株/平方米或200株/平方米密度种植的tps2突变体，以及50株/平方米密度种植且通过释放装置补充人工合成芳樟醇的tps2突变体。

密植可能导致叶片挥发性物质积累与冠层遮荫，这两种因素均会影响邻近植株的生理状态。我们提出假设：这些因素或可通过调控植株间相互作用，进而借助植物-土壤反馈影响后续种植的植物。为此，我们采用固相微萃取法（solid-phase microextraction），在露天环境中对不同密度种植玉米所释放的叶片挥发性物质进行了成分分析（补充图 S9A）。结果显示，芳樟醇（linalool）是含量最显著的植物挥发性物质，且其浓度随种植密度变化而改变（图 2A及补充图 S9B、D）。芳樟醇是玉米叶片持续释放的挥发性物质，我们进一步在黑麦草与大麦中也检测到了芳樟醇的释放（补充图 S10），这表明该物质在植物物种中具有较广泛的分布。

为评估芳樟醇对已观测到的“植物-土壤反馈调控生长与防御” 效应的贡献，我们构建了人工合成芳樟醇释放装置。通过调整暴露距离，模拟不同种植密度下观测到的芳樟醇生理浓度（补充图 S9C、D）。结果发现，当芳樟醇暴露距离为约5厘米（Lin5 处理组）时，新种植玉米的抗虫性显著增强，且生长受到抑制（图 2B~D 及补充图 S9D、E）。基于此结果，我们在后续实验中均采用该暴露设置（以下简称“Lin处理组”）。

接下来，我们利用tps2突变体植株开展实验——该突变体缺失芳樟醇生物合成能力，但在高密度条件下仍会经历叶片遮荫（图 2E 及补充图 S11）。将新玉米种植于高密度tps2突变体的驯化土中，并未观察到抗虫性增强或生长受抑的现象（图 2F~H）；然而，当我们通过释放装置向tps2突变体补充生理剂量的芳樟醇后，新玉米植株生长与防御的反馈效应得以恢复（图 2F~H）。综上，这些结果表明：在密植介导的植物-土壤反馈中，叶片挥发性物质芳樟醇（而非叶片遮荫）是触发该反馈效应的充分必要因素。

芳樟醇通过诱导根系茉莉酸（JA）信号传导触发植物-土壤反馈

我们将土壤置于无植物存在的环境中暴露于芳樟醇，随后评估该土壤对玉米植株的影响（补充图 S12A）。结果显示，新种植玉米的生长及植食性害虫抗性均未发生变化（补充图 S12B~D），这表明受体植物的存在是芳樟醇介导的植物-土壤反馈发生的必要条件。已知植物挥发物可影响植物激素信号传导，且可能通过调控根系生理进而影响植物-土壤反馈，因此我们检测了芳樟醇暴露后玉米根系中植物激素的含量。结果发现，受体植株经芳樟醇暴露后，其根系中茉莉酸（JA）及茉莉酸-异亮氨酸结合物（JA-Ile）的含量显著升高，而脱落酸（ABA）、水杨酸（SA）及吲哚-3-乙酸（IAA）的含量未发生变化（图 3A）。

为进一步探究茉莉酸信号在植物-土壤反馈中的作用，我们采用茉莉酸缺陷型lox8突变体植株作为芳樟醇受体植株。结果显示，无论是否暴露于芳樟醇，与野生型植株相比，lox8突变体根系中茉莉酸类物质的含量均显著降低（补充图 S13）；且当以lox8突变体作为土壤驯化植株时，芳樟醇无法诱导产生对植物生长及植食性害虫抗性的植物-土壤反馈效应（图 3B~D）。

鉴于茉莉酸类物质可从根系分泌至根际环境，我们还探究了芳樟醇是否会触发茉莉酸的分泌。然而，对芳樟醇暴露后根际土壤中茉莉酸类物质含量的定量分析显示，其含量未发生显著变化（图 3A）。综上，这些研究结果表明：芳樟醇诱导玉米根系产生的JA信号传导，是启动植物-土壤反馈的关键因素，但该过程并非通过将茉莉酸类物质直接分泌至土壤中实现。

图3 | 芳樟醇通过茉莉酸信号通路与苯并噁嗪类化合物（BXs）分泌触发植物-土壤反馈

（A）对照组（Con，未暴露于芳樟醇）与芳樟醇暴露组（Lin）玉米植株的根系及根际土壤中，吲哚乙酸（IAA）、水杨酸（SA）、脱落酸（ABA）、茉莉酸（JA）及茉莉酸-异亮氨酸结合物（JA-Ile）的浓度；（B~D）新玉米植株在不同驯化土中的地上部生物量（B）、毛虫增重（C）及叶片受害程度（D）——所述驯化土前期为 “对照组/芳樟醇暴露组” 处理的野生型（WT）玉米或lox8突变体玉米所驯化

（E）对照组与芳樟醇暴露组玉米植株的根系及根际土壤中苯并噁嗪类化合物（BXs）的浓度。各化合物全称如下：DIBOA-Glc为2-（2,4-二羟基-1,4-苯并噁嗪- 3 -酮）-β-D -吡喃葡萄糖苷；HMBOA-Glc为2-（2-羟基-7-甲氧基-1,4-苯并噁嗪-3-酮）-β-D-吡喃葡萄糖苷；DIMBOA-Glc为2-（2,4-二羟基-7-甲氧基-1,4-苯并噁嗪-3-酮）-β-D-吡喃葡萄糖苷；HDMBOA-Glc为2-（2-羟基- 4,7-二甲氧基- 1,4 -苯并噁嗪-3-酮）-β-D-吡喃葡萄糖苷；DIM2BOA-Glc为2-（2,4-二羟基- 6,7 -二甲氧基-1,4-苯并噁嗪-酮）-β-D-吡喃葡萄糖苷；HDM2BOA-Glc为2-（2-羟基-4,7,8-三甲氧基-1,4-苯并噁嗪-3-酮）-β-D -吡喃葡萄糖苷；DIMBOA为2,4-二羟基-7-甲氧基-1,4-苯并噁嗪-3-酮；MBOA为6-甲氧基-2-苯并噁唑酮；（F~H）新玉米植株在不同驯化土中的地上部生物量（F）、毛虫增重（G）及叶片受害程度（H）——所述驯化土前期为“对照组/芳樟醇暴露组”处理的野生型（WT）玉米、bx1突变体或bx6突变体所驯化；（I）新玉米植株在不同驯化土中的生长表型 ——所述驯化土前期为“对照组/芳樟醇暴露组” 处理的野生型（WT）玉米或ZmBX12过表达植株（OeBX12）所驯化；（J~L）新玉米植株在上述驯化土中的地上部生物量（J）、毛虫增重（K）及叶片受害程度（L）

芳樟醇通过苯并噁嗪类化合物分泌触发植物-土壤反馈

苯并噁嗪类化合物（benzoxazinoids，简称 BXs）由植物根系分泌至土壤中，可影响植物生长与抗虫性。我们提出假设：芳樟醇可能通过调控BXs的生物合成，进而调控植物-土壤反馈。为验证该假设，我们对暴露于芳樟醇的玉米植株，其根系及根际土壤中的BXs含量进行了定量分析。结果显示，根系与根际土壤中的羟甲氧基苯并噁嗪葡萄糖苷（HMBOA-Glc）和二甲氧基羟甲氧基苯并噁嗪葡萄糖苷（HDMBOA-Glc）含量显著升高，同时根际土壤中还检测到二者的降解产物——6-甲氧基-2-苯并噁唑酮（MBOA）（图 3E）。

随后，我们采用两种BXs合成缺陷型突变体（bx1和bx6）作为芳樟醇接收植株：bx1突变体所有类型BXs的合成量均极低，而bx6突变体无法合成HMBOA-Glc、HDMBOA-Glc及其他BXs衍生物，但会大量积累二羟基苯并噁嗪葡萄糖苷（DIBOA-Glc）。实验发现，这两种突变体均无法产生“芳樟醇诱导的土壤反馈效应”（即无法通过土壤调控后续植物的生长与抗性）（图 3F~H），这表明HMBOA-Glc与HDMBOA-Glc可能是芳樟醇介导的反馈效应中的关键因子。

由于HMBOA-Glc的生物合成途径尚未完全阐明，且已知MBOA是BXs 的降解产物、其对植物-土壤反馈的作用已有充分报道，因此我们将研究重点聚焦于HDMBOA-Glc。我们在B73-329玉米中过表达HDMBOA-Glc生物合成基因ZmBX12（该转基因植株以下简称OeBX12），成功使植株HDMBOA-Glc含量持续升高。当以OeBX12植株作为“土壤驯化植株”时，即使未暴露于芳樟醇，后续种植的玉米仍表现出抗虫性增强与生长受抑的特征（图 3I~L）。这些结果表明：芳樟醇诱导的BXs分泌（尤其是HDMBOA-Glc的分泌），既是启动植物-土壤反馈的必要条件，也是充分条件。

芳樟醇诱导的HDMBOA-Glc分泌受茉莉酸信号通路调控

我们对暴露于芳樟醇的玉米植株根系中，参与茉莉酸（JA）通路与苯并噁嗪类化合物（BXs）通路的基因表达水平进行了分析。结果显示，芳樟醇处理显著上调了关键JA合成基因（包括ZmLOX8、ZmAOS、ZmOPR2）及JA信号通路基因（ZmMYC2a、ZmMYC2b）的表达（图 4A）。与此同时，芳樟醇还改变了BX合成基因的表达模式：ZmBX10/11、ZmBX12、ZmBX14 的表达水平升高，而ZmBX2、ZmBX13的表达水平降低（图 4A 及补充图 S14）。进一步分析发现，JA合成与信号通路基因（ZmLOX8、ZmAOS、ZmMYC2a、ZmMYC2b）的表达水平，与HDMBOA-Glc合成基因（ZmBX10/11、ZmBX12、ZmBX14）的表达水平呈正相关（图 4B），这提示芳樟醇诱导的 JA 信号通路与 HDMBOA-Glc合成之间存在调控关联。

已有研究报道ZmMYC2a与ZmMYC2b可调控BX合成，因此我们进一步利用lox8、bx1、bx6突变体，探究JA信号通路与HDMBOA-Glc合成的关联。结果显示，lox8突变体中JA合成通路受阻，导致其HDMBOA-Glc及其他BX衍生物的含量显著降低（图 4C）；然而，BX合成通路被敲除或受损的突变体（bx1、bx6），并未影响芳樟醇诱导的JA及JA-Ile含量（图 4D、E）。这些结果表明，芳樟醇主要通过JA信号通路诱导HDMBOA-Glc的合成与分泌。

图4 |芳樟醇诱导的 HDMBOA-Glc 分泌受茉莉酸（JA）信号通路调控

(A)对照组（Con，未暴露于芳樟醇）与芳樟醇暴露组（Lin）玉米根系中，JA 合成基因与苯并噁嗪类化合物（BXs）合成基因的表达水平对数倍变化（log₂ fold change）；（B）JA合成基因与BX合成基因表达水平的皮尔逊相关系数（Pearson correlations）；（C）野生型（WT）玉米与lox8突变体根系中的BXs含量；（D、E）对照组/芳樟醇暴露组处理后，野生型（WT）玉米、bx1突变体及bx6突变体根系中JA（D）与JA-Ile（E）的浓度

芳樟醇通过土壤微生物群触发植物-土壤反馈

根际相关微生物会对植物根系的激素变化产生响应，并在介导植物-土壤反馈中发挥重要作用。据此我们提出假设：芳樟醇可能通过改变土壤微生物群的组成与活性来触发上述反馈效应。为验证该假设，我们开展了以下实验：将暴露于芳樟醇的玉米植株种植在灭菌后的原状土中；同时，通过向灭菌土中添加 “经对照组或芳樟醇暴露组植株驯化的自然土壤” 制备的微生物悬浮液，实现土壤微生物群落的重新引入。结果显示，在灭菌土中，未观测到对植物生长与抗性的反馈效应；然而，当向灭菌土中添加经芳樟醇处理土壤的微生物悬浮液后，上述反馈效应完全恢复（图 5A~C）。这些结果表明，土壤微生物群是芳樟醇触发植物-土壤反馈的必需条件。

图 5 |土壤细菌介导芳樟醇触发的植物-土壤反馈

（A~C）玉米植株在不同驯化土中的地上部生物量（A）、毛虫增重（B）及叶片受害程度（C）——所述驯化土前期为经对照组（Con，未暴露于芳樟醇）或芳樟醇暴露组（Lin）处理的野生型（WT）玉米所驯化

参与密植诱导土壤反馈的根际相关细菌鉴定

首先，我们对比了对照组与芳樟醇处理组土壤中的细菌操作分类单元（operational taxonomic unit，OTU），发现芳樟醇暴露可使111个OTU丰度升高，129个OTU丰度降低（图5I及数据集 S1）。为鉴定与这些OTU对应的特定细菌类群，我们从对照组和芳樟醇处理组植株的根际环境中分离培养细菌，并重点关注与已检测OTU的16S核糖体RNA（rRNA）基因相似度达97%的菌株（注：16S rRNA基因相似度97%是微生物分类中界定“种水平OTU”的常用标准）。最终，我们共分离得到94株在芳樟醇暴露组植株根际中显著富集的细菌菌株（图 6A及数据集S2）。随后，我们在基础培养基（minimal media，仅含微生物生长必需营养的简化培养基）中添加 “经对照组或芳樟醇暴露组植株驯化的无微生物土壤提取物”（该提取物保留了土壤中的可溶性化合物），并评估上述94株细菌的生长情况。生长实验结果显示：在添加芳樟醇处理组土壤提取物的培养基中，13株细菌的生长显著增强，1株细菌的生长受到抑制（图6A及数据集S3）。为验证该效应是否由HDMBOA-Glc介导，我们测定了相同土壤提取物中HDMBOA-Glc的含量，并分析其与细菌生长的相关性（数据集S3）。在上述14株对提取物有响应的菌株中，13株的生长HDMBOA-Glc浓度呈正相关，仅1株（L74）无显著相关性（图6A饼图及数据集S3）。为验证上述效应是否由HDMBOA-Glc介导，本研究检测了相同土壤提取物中HDMBOA-Glc的含量，并分析其与细菌生长的相关性（补充数据 S3）。在14株响应菌株中，13株菌株的生长与HDMBOA-Glc浓度呈正相关，仅1株菌株（L74）无此相关性（图 6A，饼图；补充数据 S3）。

随后，本研究进一步检测了人工合成HDMBOA-Glc对这14株响应菌株及1株阴性对照菌株（L2，此前不受芳樟醇影响）的直接作用。结果显示，HDMBOA-Glc 可促进13株富集菌株中12株的生长，但对菌株L9和L74具有抑制作用（图 6B 及补充图 S15）；而阴性对照菌株L2的生长未受影响。上述结果证实，根系分泌物中的HDMBOA-Glc与经芳樟醇处理植株根际中特定富集细菌类群的生长调控之间存在功能关联。

接下来，本研究向先前经50株・m⁻²植株密度驯化的土壤中分别接种上述各细菌菌株，进而评估其对新种植玉米的影响。结果表明，除菌株L57和L91外，接种经HDMBOA-Glc富集的菌株可显著抑制玉米生长，该表型与200株・m⁻² 植株密度驯化土壤中观察到的玉米表型响应一致（图 6C）。类似地，除菌株L57、L78和L91外，接种其余富集菌株可显著增强玉米的抗性（图 6D、E）。与之相反，在经50株・m⁻² 植株密度驯化的土壤中，接种经HDMBOA-Glc处理后丰度降低的菌株L9，可促进玉米生长但抑制其抗性；而接种同样丰度降低的菌株 L74或未受影响的菌株L2，对玉米生长及防御能力均无显著影响（图 6C、E）。上述研究结果表明，响应HDMBOA-Glc的细菌类群在高密度种植及芳樟醇信号触发的植物-土壤反馈中发挥关键作用。

图 6 |经HDMBOA-Glc激活的细菌类群参与芳樟醇触发的植物-土壤反馈

（A）从芳樟醇暴露组玉米植株根际分离得到的94株细菌菌株的系统发育树及生长情况（n=8）。最内侧圆环为94株细菌的系统发育树，不同颜色代表不同细菌类群（class）；中间粉色柱形圆环表示这些菌株在“对照组（Con）或芳樟醇暴露组（Lin）植株驯化的土壤提取物”中培养时的生长倍数变化；最外侧饼图表示菌株生长与“对照组/芳樟醇暴露组土壤提取物中HDMBOA-Glc浓度”的皮尔逊相关系数。生长倍数变化< 1.0表示生长受抑制，>1.0表示生长增强；（B）热图展示15株“经HDMBOA-Glc处理后丰度富集, 丰度耗竭或无响应”的细菌菌株，在人工合成HDMBOA-Glc处理后的生长情况（n=6~8）。颜色深浅代表 “HDMBOA-Glc处理组相对于对照组”的细菌生长倍数变化，生长倍数变化< 1.0 表示生长受抑制，>1.0表示生长增强（完整数据集参见补充图 S15）；（C~E）在 “经50株/平方米密度植株驯化的土壤”中种植野生型玉米，向土壤中接种“对HDMBOA-Glc有响应的细菌菌株”后，玉米的地上部生物量（C）、毛虫增重（D）及叶片受害程度（E）

芳樟醇触发的植物-土壤反馈依赖水杨酸信号通路

我们对种植于“对照组或芳樟醇暴露组植株驯化土”中的新玉米植株，进行了植物激素、代谢物及基因表达水平的分析。结果显示：芳樟醇暴露组植株的驯化土不会影响玉米体内苯并噁嗪类化合物（BXs）、类黄酮等防御性代谢物的含量，但会导致初级代谢物含量降低（图 7A及补充图 S16）。在植物激素方面，芳樟醇暴露组驯化土显著提高了玉米叶片与根系中水杨酸（SA）的含量，同时伴随 SA 相关信号通路基因（如ZmWRKY28、ZmTGA1）的表达上调（图 7A 及补充图 S16~S18）；此外，ZmMDL、ZmPAL、ZmNPR1、ZmNPR3 等其他信号通路基因在根系或叶片中也出现表达上调（图 7A及补充图 S17）。与之相反，茉莉酸（JA）前体物质12 -氧-植物二烯酸（12-oxo-phytodienoic acid，OPDA）及JA合成基因ZmAOS在叶片与根系中均表达下调；吲哚乙酸（IAA）及其合成基因ZmYucca2则特异性地在“芳樟醇暴露组驯化土种植的玉米叶片”中表达下调。同时，防御标记基因在根系或叶片中也出现表达上调（图7A及补充图S17）。这些结果表明，芳樟醇暴露组植株的驯化土可诱导新玉米植株发生显著的代谢重编程与防御重编程。

由于新种植玉米植株中水杨酸（SA）含量及信号传导的升高最为显著，且已知SA在植物生长与防御的权衡关系中发挥关键作用，因此我们推测：上述 SA含量的改变，可能是导致高密度植株驯化土壤中新生玉米生长与防御表型发生观测到的变化的驱动因素。

为此，我们将SA缺陷型NahG玉米品系种植于先前经50株・m⁻² 或200株・m⁻² 密度驯化的土壤中，同时也种植于经芳樟醇处理植株驯化的土壤中。结果显示：在NahG品系中，种植密度触发的对植株生长及植食性害虫抗性的反馈效应完全消失（图 7B~D）。这一结果证实，SA信号传导是高密度种植介导的植物-土壤反馈对植物生长与防御产生效应所必需的条件。

图 7 |新玉米植株中的水杨酸（SA）信号通路是芳樟醇触发植物 - 土壤反馈的必需条件

（A）种植于“对照组（Con，未暴露于芳樟醇）或芳樟醇暴露组（Lin）接收植株驯化土”中的玉米，其叶片与根系中植物激素、代谢物及基因表达的对数倍变化（log₂ fold change）（n=6~10）；（B~D）野生型（WT）玉米与 NahG 过表达玉米（SA 缺陷型）在不同驯化土中的地上部生物量（B）、毛虫增重（C）及叶片受害程度（D）——所述驯化土包括“经50株/平方米或200株/平方米密度植株驯化的土壤”，以及“经芳樟醇暴露组植株驯化的土壤”。

讨论Discussion

多数玉米挥发性物质需在生物或非生物胁迫诱导下才会释放，而芳樟醇为持续释放型挥发性物质，这使其成为高密度环境下的合理信号候选分子。已有研究表明，植食性昆虫诱导产生的绿叶挥发性物质可触发植物-土壤反馈，影响植物生长与抗性；但本研究发现，高密度种植条件下未检测到绿叶挥发性物质，且其诱导的生长与抗性表型模式与芳樟醇存在显著差异，这提示绿叶挥发性物质在密植诱导的植物-土壤反馈中不太可能发挥主要作用。不过，我们无法完全排除实验体系中其他未检测到的挥发性物质可能存在的潜在贡献。

尽管芳樟醇可刺激根系中茉莉酸（JA）的生物合成，但并未提高根际环境中JA的含量，这表明JA的分泌是一个不直接受芳樟醇调控的主动过程。JA生物合成通路受阻会导致羟甲氧基苯并噁嗪葡萄糖苷（HDMBOA-Glc）及其他苯并噁嗪类化合物（BXs）含量显著降低，而BXs生物合成突变体则不会影响JA 含量。这种单向依赖性表明，芳樟醇诱导的JA信号通路作用于BXs生物合成与分泌的上游。支持该结论的证据包括：我们观察到JA合成及信号通路基因的表达与HDMBOA-Glc合成基因的表达呈正相关；此外，已有研究证实，JA信号通路基因ZmMYC2a和ZmMYC2b可直接结合BXs合成基因的启动子，通过激活其表达促进HDMBOA-Glc及其他BXs衍生物的合成。这些结果支持以下调控模型：在MYC2转录因子介导下，JA信号通路调控芳樟醇触发的BXs生物合成与根系分泌，进而调控植物与根际微生物组的互作（补充图 S18）。

虽有研究报道芳樟醇具有抗菌活性，但本研究结果表明，芳樟醇并非直接作用于土壤微生物，而是通过改变邻近植物根系的生理状态间接影响微生物。仅需 3天的高密度处理即可触发植物-土壤反馈，这意味着地下根际微生物群落能快速响应地上挥发性信号。这种微生物群落组成的变化可维持足够长时间，以改变后续种植植物的生长与防御表型，凸显了密植系统中挥发性物质介导的植物-微生物互作具有快速性与稳定性。

微生物群落对环境背景高度敏感，特定类群的存在与否或丰度变化可反映局部环境条件（如植物密度）。尽管微生物种群具有动态性，但其功能作用可保持足够稳定性，从而作为环境变化的指示因子。在此背景下，微生物组成员不仅可作为植物-土壤反馈的介导者，还可作为生态信息的传递者。本研究结果支持以下假设：植物可能将微生物信号作为局部种群密度的指示信号，进而据此精细调控自身的生长与防御响应。

为明确根际微生物类群的重要性，我们以16S扩增子序列97%的相似度为标准，将分离得到的细菌菌株与操作分类单元（OTU）进行关联。该相似度阈值在捕捉物种或功能水平差异方面存在局限性——它可能将具有遗传与功能分化的类群（包括不同属的微生物）归为同一OTU。更全面的研究方法应包括对微生物组及纯培养菌株进行全基因组测序，以在物种甚至菌株水平捕捉其完整功能潜力。此外，未来研究还需探索根际相关真菌及更复杂的合成微生物群落（包含细菌与真菌成员）的作用。

在对照条件下，bx6突变体与ZmBX12过表达植株（OeBX12）表现出相似的生长与抗性表型，尽管二者的HDMBOA-Glc含量存在显著差异。这提示其他 BXs 中间产物或调控因子可能也参与调控所观测到的表型。已知HDMBOA-Glc 及其降解产物6-甲氧基-2-苯并噁唑酮（MBOA）具有抗菌或促生长活性，这或许能解释它们为何能富集或耗竭特定土壤细菌。芳樟醇暴露后，根际土壤中MBOA含量升高，这与已有研究结论一致——MBOA可触发类似的反馈效应，即增强植物抗虫性并抑制生长。因此，芳樟醇驱动的根系HDMBOA-Glc分泌可调控根际微生物群组成，进而触发所观测到的植物-土壤反馈（补充图 S18）。

经典观点认为JA与植物抗虫防御相关，但本研究数据显示，后续种植植物中的 JA信号通路受到抑制，这表明JA在该阶段可能不直接介导所观测到的抗性。与之相反，水杨酸（SA）信号通路被证实是植物增强抗性所必需的，这与此前在玉米中的研究结果一致。其他防御相关基因的同时上调提示，额外的信号通路可能也参与调控过程。

芳樟醇诱导的JA信号通路在“土壤驯化阶段”（conditioning phase）发挥作用：促进BXs分泌并塑造根际微生物组；而在“响应阶段”（response phase），后续种植的植物主要依赖SA信号通路表达增强的防御表型（补充图 S18）。这表明信号感知（JA 驱动）与防御表达（SA驱动）在时间上是分离的，两种激素在反馈循环的不同阶段发挥作用。在密植田间环境中，这种激素动态变化可能在单一代植物中通过“芳樟醇感知-响应”的持续循环实现：植物感知邻近植株释放的挥发性物质，调整自身分泌物组成，进而调控相关微生物群。这一过程可通过微生物组介导的信号传递，实时增强植物的系统抗性。因此，JA与SA信号通路在空间和时间上的协同作用，可能是植物适应密植系统的关键特征。未来研究的重要方向之一，是理清这些通路在代际间与代际内的作用差异；尤其需阐明玉米叶片如何感知并传递芳樟醇信号，这对解析该调控网络的复杂性至关重要。

后续种植植物在“响应阶段”的生理变化，为理解挥发性物质介导的植物 - 土壤反馈所涉及的权衡关系提供了线索。首先，后续种植玉米抗虫性的增强与防御相关基因表达上调相关，而生长受抑则与游离氨基酸及可溶性蛋白含量降低相关；其次，我们观察到典型的JA/SA信号权衡关系——JA生物合成减少而SA生物合成增加。这种 “初级代谢向防御方向重编程” 的现象表明，高密度条件下玉米会优先分配资源用于防御而非生长，这可能是对邻近植株带来的生物压力的适应性响应。尽管这种权衡会限制生物量积累，但增强的抗虫、抗病能力带来的收益可能超过其成本（尤其在生物胁迫较高的环境中）。此外，生长受抑与防御增强的权衡关系可能对农业系统有益：或可减少农药使用，并在一定程度上降低作物倒伏风险。尽管密植系统中单株植物产量会下降，但总作物产量通常高于稀植系统。这凸显了在密植条件下，平衡植物生长与防御对优化作物表现的重要性。

基于本研究结果，我们建议将芳樟醇作为区域适应性玉米品种的育种靶点。在病原菌或害虫压力较高的区域，培育或改造“芳樟醇释放量增加”或“BXs生物合成增强” 的作物品种，可优化密植系统中的植物防御能力；相反，在生物胁迫较低的区域，通过降低芳樟醇生物合成或优化种植设计以增强空气流通，可避免芳樟醇积累，从而提高密植玉米的生产力。要将这些策略转化为实际应用，还需开展大量田间研究。需注意的是，本研究中的田间实验并非旨在直接验证芳樟醇介导的反馈机制，而是为了探究自然条件下种植密度是否影响植物生长与抗性。未来需通过严谨的田间验证（如在可控田间条件下施用人工合成芳樟醇并评估下游响应）进一步确认相关机制，这也是未来研究的重要方向。本研究为理解植物对环境信号的表型可塑性提供了新视角（补充图 S18），并强调挥发性物质介导的植物-土壤反馈可作为可持续农业集约化与保障全球粮食安全的潜在策略。

作者简介

浙江大学环境与资源学院，浙江大学海南研究院郭东胜和刘紫琳，荷兰生态研究所微生物生态学系，荷兰莱顿大学生物学研究所Jos M. Raaijmakers 为本文的第一作者，浙江大学环境与资源学院徐建明，浙江大学环境与资源学院，浙江大学海南研究院胡凌飞为本文的通讯作者。

徐建明(通讯作者)

浙江大学求是特聘教授、博士生导师。现任农田土壤污染防控与修复技术国家工程实验室副主任，国务院学位委员会第八届学科评议组成员，全国农业专业学位研究生教育指导委员会资源利用与植物保护领域分委员会委员，2018-2022年教育部自然保护与环境生态类专业教学指导委员会委员，浙江大学农业资源与环境国家一级重点学科负责人， Research、Biogeosciences、Pedosphere副主编，Critical Reviews in Environmental Science and Technology、Journal of Soils and Sediments、Biochar、土壤学报、植物营养与肥料学报、生态环境学报、土壤通报、土壤、环境污染与防治等刊物编委。曾任原浙江农业大学土壤农化系系副主任、系主任，浙江大学环境与资源学院副院长、土水资源与环境研究所所长、浙江省农业资源与环境重点实验室主任，中国土壤学会副理事长等职。曾出访美国、澳大利亚、英国、加拿大、日本、德国、法国、爱尔兰、菲律宾、埃及等国进行合作研究或讲学。长期从事土壤化学与生物化学、土壤污染控制与修复、环境质量与食物安全、生物地球化学过程与生态效应等领域的教学和研究工作，主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金创新研究群体以及重点和国际合作重点项目、国家973项目课题、科技部国际合作重点项目、国家重大科技专项等各类纵向科研项目40余项，在PNAS、The ISME Journal、Microbiome、Global Change Biology、Soil Biology & Biochemistry、Environmental Microbiology、Environmental Science & Technology等国际学术刊物发表论文370余篇，主编中、英文著作8部，获省部级科学技术奖7项，获授权国家发明专利20件，获国家计算机软件著作权登记10个。主编出版的《土壤学》（第三版）教材是“十一五”、“十二五”国家级规划教材，2011年获中华农业科教基金会全国高等农业院校优秀教材奖，2019年12月主编出版的《土壤学》（第四版）于2021年获首届全国优秀教材二等奖。 1998年享受国务院政府特殊津贴；2000年获全国高校首届青年教师奖；2004年获国家杰出青年科学基金，入选国家级首批“新世纪百千万人才工程”；2007年被聘为教育部长江学者特聘教授；2008年获“中国土壤学会奖”，指导的1名博士获全国百篇优秀博士学位论文；2012年入选全国农业科研杰出人才及“产地环境质量与农产品安全”创新团队；2016年被授予国家环境保护专业技术领军人才；2017年负责的“土壤污染过程与修复原理”入选国家自然科学基金创新研究群体，被聘为国家水稻产业体系东南区土壤重金属污染防治岗位科学家；2018年当选美国农学会Fellow；2020年当选美国土壤学会Fellow，获浙江大学五好导学团队（主导师）。信息来源：https://person.zju.edu.cn/0091258

胡凌飞(通讯作者)

胡凌飞，博士，博士生导师，国家高层次青年人才、中国科协“青年人才托举工程”入选者；中国土壤学会优秀青年学者奖获得者；曾任欧洲研究理事会（ERC）项目负责人，现为国家重点研发青年科学家项目主持人，中国土壤学会土壤生态学专业委员会副主任、土壤生物和生物化学专业委员会委员、土壤-植物营养专业委员会委员；中国植物营养与肥料学会养分循环专业委员会副主任、根际营养专业委员会委员，浙江省土壤肥料学会理事。课题组以玉米和水稻为对象，研究次生代谢产物介导的土壤根际生态过程与机理（植物-动物-微生物互作）。近年来，以第一作者或通讯作者在 Science、Nature Plants、PNAS、Nature Communications 等权威杂志发表多篇论文，担任 Soil Ecology Letters 等期刊的编委。

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