研究提供了植物物种多样性导致更高农业产量的原因，解开了“一个小小的谜团”

一项研究发表在《自然·通讯》根据堪萨斯大学的田间和温室实验，农业产量的提高是如何通过种植多种作物而不是一种植物来实现的:对植物有害的土壤病原体更难生长。

“人们普遍认为，随着时间的推移，多样化的植物群落会更加高产和稳定，”堪萨斯生物调查与生态研究中心高级科学家、堪萨斯大学生态学与进化生物学基金会特聘教授通讯作者·詹姆斯·比弗说。“拥有众多物种的牧场可以提高生产力。但这其中的原因一直有点神秘。”

虽然轮作和其他农业和园艺实践长期以来一直反映出植物混合的好处，但这项新研究为支持这一观察的一个重要机制提供了确凿的数据:土壤中以植物为食的微生物数量。

“多样化的农业社区有潜力遏制病原体，从而提高产量，”贝弗说。

“我们发现一个主要的驱动因素是病原体的专业化，特别是那些针对不同植物物种的病原体。这些病原体抑制了低多样性群落的产量。牧场多样性的一个显著优势是病原体消耗的生物量较少，因此可以将更多的生物量用于其他用途，如养牛。同样的过程对农业生产至关重要。”

这些新数据是堪萨斯大学利用堪萨斯大学野外站的野外实验、温室分析和计算机反馈建模开发的。

该项目得到了美国国家科学基金会和美国农业部的大量合作资助。

“我们进行了一项实验，控制一块土地上的植物数量和不同的降雨量——我们在一块土地上有一到六个物种，”比弗说。

“然后，我们评估了土壤病原体微生物组的组成。我们发现，单一培养中病原体组成的变化可以显著预测混合培养的产量。当存在不同的病原体群落时，将它们混合在一起会导致邻居释放更多的病原体。最糟糕的情况是相邻的作物有相同的病原体。在这种情况下，你正在经历双重密度——你的作物病原体和来自你邻居作物的病原体。”

在堪萨斯大学，比弗的合作者包括副专家佩吉·舒尔茨以及海莉·伯里尔和劳拉·波德齐科夫斯基，他们都获得了堪萨斯大学的博士学位，现在分别是俄勒冈大学和堪萨斯大学的博士后研究人员。

该研究的第一作者王广洲曾在昆士兰大学担任博士后研究员，现在隶属于中国农业大学，在那里他与合著者和一起从事这项研究。

瑞士苏黎士大学的合著者马丁·埃平加也加入了他们的行列。

根据Bever的说法，这项研究反对在许多英亩的土地上种植单一粮食作物的工农业做法，这种做法通常被称为“单一种植”。

“关于单一栽培的做法，促进植物多样性的理念似乎与流行的做法相反，”他说。

“单一作物种植——在大片地区种植单一作物——是由技术原因而非生物原因驱动的。种植和收获的实际方面推动了这种方法。传统的美洲土著农业和热带实践涉及多种物种的混合养殖。在中国，有一种向机械化混养生产发展的趋势，挑战美国占主导地位的单一养殖模式。有必要将单一种植视为一种增加投入的成本效益模式，并探索替代方法，如作物轮作，以随着时间的推移管理病原体。”

贝弗说，在不同地块混合种植植物对家庭园丁和其他种植植物的人有益。

“当你在园艺时，你不是依靠机械种植和机械收割，”他说。

“混合种植作物对你绝对有利——在地块中以异质混合的方式种植它们。为了方便起见，我们可以交替种植不同的作物。这将比多行同一作物并排种植更好地控制病原体。如果你在后院有四块独立的地，你不会想把所有的西红柿放在一块，所有的南瓜放在另一块，而第三块地种着香草——你会想把它们混合在一起。这样做可以减少病原体。这是我们的数据所显示的。”

最后，比弗说，他的团队的发现表明生物多样性抑制病原体生长，但这在植物界之外并不明确。

事实上，这个想法在莱姆病等动物系统中是有争议的。

他说:“我们在植物世界中的明确结果与动物世界中这种文献的复杂性形成了对比。”“在最近对病原体的关注背景下，如冠状病毒肺炎事件，生态学中的病原体研究一直存在争议。多样性对病原体影响的影响，无论是增加还是减少，一直存在争议。我们对植物的发现表明，更大的担忧是随着多样性的增加而减少病原体的传播，而不是增加。在我们的研究中，检测了病原体，包括土壤中的病原体。在即将发表的一篇论文中详细描述了叶片病原体的类似模式。争议源于病原体对动物界和植物的影响方式不同。”

来源: Materials provided by University of Kansas.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Guangzhou Wang, Haley M. Burrill, Laura Y. Podzikowski, Maarten B. Eppinga, Fusuo Zhang, Junling Zhang, Peggy A. Schultz, James D. Bever. Dilution of specialist pathogens drives productivity benefits from diversity in plant mixtures. Nature Communications, 2023; 14 (1) DOI: 10.1038/s41467-023-44253-4