植物根系會(huì)持續(xù)不斷地往土壤中分泌初生和次生代謝物，這些分泌物是植物與土壤、動(dòng)物、微生物等進(jìn)行信息傳遞和物質(zhì)交換的重要載體和媒介，是根際和葉際對(duì)話的主要驅(qū)動(dòng)因子，在調(diào)節(jié)植物-生物互作中發(fā)揮重要作用。

苯并噁嗪化合物 (benzoxazinoids) 是一類廣泛存在于玉米、小麥等禾本科作物中的次生代謝物，也是該類作物根系分泌物中含量最高的次生代謝物，對(duì)多種病蟲(chóng)害具有廣譜抗性。

日前，浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院徐建明教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)際課題組，深入剖析了土壤中鐵離子調(diào)控苯并噁嗪類化合物介導(dǎo)的植物-植食動(dòng)物互作的內(nèi)在機(jī)理。不僅揭示了土壤類型與植物次生代謝物功能發(fā)揮的內(nèi)在聯(lián)系，還率先闡明了土壤因子調(diào)控植物次生代謝物功能的內(nèi)在機(jī)理，為我國(guó)重要入侵害蟲(chóng)草地貪夜蛾的消減和阻控提供了新視角。

這一成果以題為“Soil chemistry determines whether defensive plant secondary metabolites promote or suppress herbivore growth”刊登在國(guó)際知名期刊《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS），論文第一作者為浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院“百人計(jì)劃”研究員胡凌飛，論文通訊作者為徐建明教授與瑞士伯爾尼大學(xué)Matthias Erb教授。

草地貪夜蛾是玉米生長(zhǎng)過(guò)程中的重要害蟲(chóng)，通過(guò)取食葉片導(dǎo)致玉米產(chǎn)量急劇下降。然而物競(jìng)天擇，為了更好的抵御害蟲(chóng)的侵?jǐn)_，玉米體內(nèi)會(huì)合成苯并噁嗪化合物次生代謝產(chǎn)物，作為消滅害蟲(chóng)的“天然農(nóng)藥”?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)“天然農(nóng)藥”苯并噁嗪化合物在抗擊草地貪夜蛾上并不是屢戰(zhàn)屢勝。橘生淮南則為橘，橘生淮北則為枳，到底是什么讓天然殺蟲(chóng)劑失去效力呢？

苯并噁嗪化合物不僅會(huì)在葉片和根系中合成，還會(huì)以根系分泌物的方式釋放到土壤中。為此，徐建明團(tuán)隊(duì)在江蘇宜興8個(gè)不同地點(diǎn)采集了2種類型的土壤（人為土和富鐵土）進(jìn)一步研究土壤類型是否會(huì)影響苯并噁嗪化合物對(duì)草地貪夜蛾的抗性（圖1）。

圖1 不同類型土壤中苯并噁嗪化合物對(duì)草地貪夜蛾生長(zhǎng)的調(diào)控作用

徐建明團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，根系中的苯并噁嗪化合物會(huì)與土壤反應(yīng)，增加植物葉片內(nèi)鐵的含量。眾所周知，鐵離子是生物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素，在植物葉綠素等合成中具有重要作用。

徐建明介紹，通過(guò)鐵的定量關(guān)系實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鐵離子是土壤差異的根本原因。“我們發(fā)現(xiàn)，在根部釋放的苯并噁嗪化合物，會(huì)將游離的鐵離子運(yùn)輸?shù)饺~片中”（圖2）。

圖2 鐵離子與苯并噁嗪化合物互作影響植物葉片內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)

鐵離子能夠增強(qiáng)光合作用，有利于玉米產(chǎn)量的提升?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，由于鐵離子這一營(yíng)養(yǎng)劑的影響，原本的天然殺蟲(chóng)劑“失效了”（圖3）。徐建明介紹，這一研究將為農(nóng)作物生長(zhǎng)和作物改良，提供了新的育種視角；對(duì)于抗蟲(chóng)型優(yōu)良植物育種，提供新的靶標(biāo)，為未來(lái)育種提供新視野 。

這項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目等資助。

圖3 鐵離子與苯并噁嗪化合物互作影響草地貪夜蛾體內(nèi)鐵的含量

論文鏈接：doi: 10.1073/pnas.2109602118