褪黑素调控根系生长和根际互作的机制研究进展

【目的】根系生长和根际互作是影响植物对土壤养分吸收的关键因子。根系在土壤中穿插生长,不断改变其形态可塑性,进而改变根系构型,扩大与土壤的接触面积以获取所需养分。同时根系的生理可塑性协同根系形态可塑性显著影响根际互作效应,为植物经济高效获取养分资源提供可能。探究褪黑素等内源生长调节因子对根系形态和生理可塑性的调控机制,揭示通过最大化根际效应强化根际互作的有效途径,对集约化作物体系提高养分利用效率,促进绿色增产增效,具有重要的理论与实践意义。主要进展褪黑素作为新型植物生长调节信号分子,在盐害、干旱和低温等非生物胁迫中具有增强植物抗逆性、改善植物生长等重要调节作用。褪黑素显著改变根系生长,对植物主根生长主要表现为抑制作用,对侧根及不定根的发育和生长具有浓度依赖性调节,从而深刻影响植物根系构型。褪黑素调控根系生长的机制尚不清楚,总结已有进展表明:一方面褪黑素调节光周期,影响光合产物的运输和糖信号,从而调控地下部碳分配和根系生长;另一方面,褪黑素还能与生长素等植物激素互作,参与激素对植物生长调控的信号通路,从而对植物的生长发育和新陈代谢产生影响。这些进展对深入揭示褪黑素调控根系生长发育的机制提供了重要依据。问题与展望根系的生长发育以及根系构型的改变显著影响根际过程和根际互作,褪黑素作为调控因子在不同养分环境条件下显著影响根系的形态可塑性。然而,褪黑素在根际过程和根际互作中的作用机制并不清楚,有关研究亟待加强。深入探究褪黑素参与根际互作的机制,理解褪黑素调控根系生长和根际过程的作用途径,可为集约化农业体系下精准调控作物根系生长,强化根际互作,提高养分利用效率提供科学依据。     

磷与水分互作的根土界面效应及其高效利用机制研究进展

【目的】磷与水分利用率低是制约作物生产的重要因子。磷必须在水分的作用下通过根土界面才能被作物吸收利用,磷和水分在根土界面的互作效应是影响其高效利用的关键环节。本文以根际为核心,重点综述了磷与水分在根土界面的互作机制,并剖析了通过强化根土界面磷与水分的协同,提高农田水肥资源利用效率的根际调控途径。[主要进展]根系的形态和生理变化深刻影响磷和水分的有效性,而根系生长和根际过程依赖于植物的营养和水分供应状况,作物根层适宜的水分和养分供应水平能最大化根系和根际过程的效率,从而促进作物对磷与水资源的高效利用。作物根系除了能对根层土壤中磷和水分的系统供应做出响应外,也对局部磷和水分的变化产生形态和生理上的反应。根系响应磷和水分的表型可塑性与植物激素的调控作用密切相关。ABA、乙烯、NO均参与磷和水分互作的调控过程,质外体pH在调控植物抵抗水分胁迫过程中具有重要作用,并与植物的营养状况密切相关。[展望]深入理解根土界面水与磷互作的协同过程及其调控机制是提高集约化作物体系水分和磷利用效率的关键。未来的研究方向与重点包括:进一步揭示磷和水分互作与激素信号途径之间的关系,探明农田生态系统中磷与水分互作的根土界面效应及其高效利用的协同机制,建立不同种植条件下水肥资源高效利用的根际调控途径,为通过根系、根际的定向调控,发挥其生物学潜力,提高集约化农田水肥资源的利用效率提供科学依据。     

豆科禾本科作物间作的根际生物过程研究进展

间作作为一种可持续发展的种植模式不仅具有产量和养分获取的优势,而且能够保证粮食安全、降低作物减产风险。在众多间作组合中,豆科禾本科作物间作由于种间促进及生态位互补作用,而在世界范围内被广泛应用。根际是作物-土壤-微生物相互作用的界面,是养分、水分及有害物质从土壤进入作物系统参与食物链物质循环的必经门户,在根际中所发生的生物过程不仅决定着养分的供应量和有效性,而且也影响着作物的生产力和养分利用效率。因此,本文从豆科禾本科间作的根际生物过程角度出发,综述了豆科禾本科间作对根系形态、根际微生物、根系分泌物及其生态效应的研究进展,为豆科禾本科间作体系在修复重金属污染土壤、提高土壤中养分有效性以及植物遗传改良等方面的应用提供理论依据。     

土壤–根系–微生物系统中影响氮磷利用的一些关键协同机制的研究进展

根际是养分进入作物系统的门户,也是土壤-根系-微生物相互作用的微域。根际界面过程决定了氮磷养分的供应强度和有效性,最终影响了氮磷养分的利用效率和作物生产力。近年来,国内外在揭示农田土壤-根系-微生物系统中不同界面的养分转化、吸收和运输机制方面取得了一些新进展。在不同时空尺度上分析了影响土壤氮磷转化微生物组成的影响因子;研究了丛枝菌根系统形成的信号机制及其对氮磷吸收的基因调控机制;从信号网络、根系质子分泌和根构型的角度系统揭示了作物根系应对根际环境氮磷养分供应的形态和生理响应机制。未来针对根际氮磷高效利用问题,需要深入研究土壤-根系-微生物不同界面的协同机制和调控原理,在根际微域和土壤团聚体尺度开展微生物食物网及其关键功能微生物分布格局和演替规律的研究;揭示根构型对根系–微生物协同结构和功能的影响,研究养分缺乏条件下根内质子分泌和关键转运蛋白对根系生长和养分吸收的调控机制;针对粮食作物,研究根系-微生物对话中已知信号物质(如独脚金内酯和N-酰基高丝氨酸内酯)和新的信号物质(小RNA)的网络作用机制及其对多养分协同代谢的影响;最后,针对不同气候、土壤、作物类型区,提出提高氮磷利用效率的根际生物调控途径和措施。     

高投入蔬菜种植体系磷素高效利用的根际对话及效应研究进展

蔬菜种植体系是一种高投入体系,高量磷肥的投入会造成磷资源浪费和磷高积累带来的环境风险。通过根际调控增加磷有效性以及提高蔬菜对磷的吸收利用是菜地减磷增效行之有效的手段之一。基于该研究思路,综述了根际对话三大模块,植物-植物对话（蔬菜间套作根系互作）、植物-微生物对话（蔬菜根系与菌根真菌及根际促生菌互作）以及微生物-微生物对话（菜地解磷微生物与根际微生物互作）在促进蔬菜根系发育、活化土壤累积态磷从而增加蔬菜对磷的吸收利用方面的作用及其作用机制。同时阐述了人为调控不同模块,如利用解磷微生物菌肥提高蔬菜磷吸收利用,以及在缓解蔬菜连作障碍方面的应用效果及机理。最后探讨今后高投入体系根际对话的研究方向,旨在为推动高投入蔬菜种植体系磷肥管理的绿色和可持续发展提供理论依据。     

土壤紧实胁迫下根系–土壤的相互作用

  【目的】  土壤紧实胁迫破坏土体理化性质,阻碍作物根系生长,降低作物产量,是限制农业生产力提高的世界性难题。根系形态结构决定了植物对土壤资源的探索能力及其对胁迫环境的适应性。讨论紧实胁迫下植物根系–土壤的相互作用,综述国内外关于根系通过形态和生理改变等根系生物学潜力的发挥提高对紧实胁迫适应性的研究进展。  主要进展  土壤紧实胁迫增加根系穿透阻力,限制根系对土壤水分和养分的获取。植物根系会从形态和解剖结构方面对土壤紧实胁迫做出一系列适应性改变,充分利用土壤中的孔隙拓展生长空间。此外,根系也会对紧实胁迫做出生理响应,通过大量释放分泌物,影响根际土壤微结构,改变根土界面微域环境,降低根系生长的机械阻力。  展望  土壤紧实胁迫作为产量限制因素被长期忽视。通过发挥根系自身的生物学潜力,提高根系在紧实土壤中的适应性,对于最大限度地保证其在紧实胁迫下的正常生长非常关键,作为应对土壤紧实胁迫的有效策略具有重要的现实意义。未来的研究方向与重点包括:揭示紧实胁迫下根系分泌物与微生物的“对话机制”,探明紧实胁迫下根系–土壤–微生物的互作关系和作用机制,为发挥根系生物学潜力,强化关键根系/根际性状,塑造健康土壤结构,提高土壤紧实胁迫下的农业生产力提供科学依据。     

土壤养分空间异质性与根系觅食作用:从个体到群落

土壤中分布着许多大小不一的养分富集区域（也称之为养分斑块）。植物为了适应环境最大限度的获取资源,会对这些养分斑块做出形态及生理上的响应。当根系接触到这些富集养分的区域就会大量的增生,尤其是比根长较大的细根,并且根系对养分的生理吸收能力也强于养分富集区域以外的根系。养分斑块的属性（大小、强度、组成和位置等）和植物体本身的属性（敏感性和觅食能力等）共同决定了养分空间异质性对于植物体生长的影响。由于不同物种的根系对于养分斑块的可塑性和养分斑块的属性的差异及植物根系接触到养分斑块的时间和规模的不同会加剧种间或种内的竞争强度;先接触到养分斑块的植物根系可能在其他植物的根系到达之前将养分斑块内部的养分大部分吸收或耗尽,从而引起根系间的不对称性竞争。养分空间异质性造成的群体内部竞争强度的增加甚至不对称性会引起群体内植株大小变异性的增加,从而进一步影响群体结构。同时养分空间异质性对根系竞争的影响也会改变群落内部物种的多样性及整个体系的生产力,这与群落内物种之间觅食精度及竞争力的差异有关;觅食能力较强的物种可能会高效整合并占据大量的小养分斑块从而提高自身生长,进而降低了小养分斑块对群落物种丰度的正效应。     

根系分泌物主要作用及解析技术进展

根系分泌物是植物保持根际微生态系统活力的关键因素，也是根际物质循环的重要组成部分，对根际土壤生态环境中的物质循环具有重要的驱动作用。根系分泌物可以刺激微生物生长，增强其活性，加速根际养分循环，增加土壤养分利用率，并在小规模空间引起温室气体通量的变化。此外，它也是植物参与竞争的重要策略，植物通过根分泌物以获取种间长期生存的养分，甚至分泌对自身有害的化感物质来排挤其他植物，实现自我生存，即使存在自毒作用或引起连作障碍等。植物的健康生长依赖于自身与土壤微生物复杂动态群落的相互作用，但是根际微生物群落结构和组成却又受植物物种、植物生长期、土壤性质、功能基因等因素影响，这些因素的动态变化可能导致根系分泌物的多样化，从而形成复杂多变的根系分泌物与植物的关系，进而影响植物的健康生长。目前，对植物根系分泌物的研究是土壤生态学、植物营养与代谢等领域的研究热点，且随着分析技术手段的快速发展，根系分泌物相关研究也逐渐深入，进一步揭示植物与微生物间的协同作用机理对农、林等行业生产具有重要的指导意义。     

间套作改善作物矿质营养的机理研究进展

【目的】合理的间套作能够改善作物的矿质营养。近年来国内外对间套作提高作物生产力、 改善作物矿质营养的机理研究越来越深入。本文分析了国内外不同间套作中作物根际养分动态及作物营养吸收变化,阐述了间套作改善作物矿质营养的可能机理。【主要进展】 1)根系分泌物中的铵态氮和氨基酸态氮作为作物的氮源; 根系分泌物能够诱导豆科作物固氮作用的增强,增加间套作系统中的氮营养; 2)根系分泌物中的有机酸类物质能够活化根际土壤中的磷、 铁、 钾等营养,将其转变为植物可以利用的营养; 3)根系分泌物或地上部的种间互作能诱导作物的根系构型和矿质营养吸收相关基因的表达发生变化,形成空间上的营养生态位互补,增强根系吸收矿质营养的能力,充分利用土壤营养资源; 4)丛枝菌根真菌与作物间形成的网络便于营养在作物之间的转移和吸收; 5)间套作能够改变土壤生物多样性(土壤动物和微生物),而土壤的生物多样性能够促进作物矿质养分的吸收。间套作中,由于微生物代谢功能的多样性,作物对微生物的选择和富集使得根际土壤功能微生物的种类和数量增多,提高了土壤中矿质营养的生物有效性; 6)间套作提高了土壤的酶(如脲酶,酸性磷酸酶和碱性磷酸酶)活性,促进了有机氮、 磷向无机氮、 磷的转化,提高了土壤无机氮、 磷的浓度。总之,根系分泌物、 根系构型变化、 土壤生物多样性、 土壤酶在作物的营养有效利用中发挥重要作用,其中根系分泌物是它们之间的纽带,介导了作物-作物、 作物-土壤、 作物-微生物之间的相互作用。【建议与展望】由于技术手段的限制及地下根际过程的复杂性,人们对于地下生物学过程的认识还远远不够。根系分泌物的原位定性与定量、 间套作中种间的识别和响应、 间套作对土壤生物多样性的影响及土壤生物多样性对作物生长的反馈、 间套作中功能微生物的筛选、 分离、 鉴定及应用都将成为研究的重点。     

植物根系分泌物与根际微生物交互作用机制研究进展

根际是受植物根系影响最为强烈的微域环境,是植物和土壤交流的桥梁。根系能通过调控根系分泌物的种类和数量影响根际微生物的种群结构和多样性,根际微生物通过改变根际土壤特性影响根系的分泌作用,进而影响植物的生长发育过程。因此,很有必要对这些研究进展进行梳理,提出未来该领域的研究重点。本文以1999 ~ 2022年中国知网（CNKI）和Web of Science核心数据库为文献来源,对根系分泌物与根际微生物互作相关的64篇论文进行分析。总结了近年来根系分泌物和根际微生物互作的最新研究成果,重点介绍了根系分泌物对根际微生物种类、数量和分布的影响,环境胁迫对根系分泌物和根际微生物的影响,以及根际微生物对植物生长的影响。基于此,我们对该领域未来的研究方向进行了展望。深入理解根系分泌物和根际微生物之间复杂的互作关系及其机理,对揭示根际微生态调控过程、土壤微生物组功能、促进农作物增产等方面具有重要的意义。     

外源稀土作用下根–土界面元素转化、分布及其植物有效性的研究进展

外源稀土（RE）可导致根-土界面物理、化学及生物学特性发生根本性变化,特别是根系主导的根际动态过程的变化。如施用不同剂量RE条件下,稀土元素（REE）与根系的相互作用使根系生长、酶活性、细胞质膜透性等受到不同程度的影响。根系生长、酶活性的变化反映了植物可能通过根系形态学、生理学的适应性和非适应性变化机制来改变根系吸收养分、REE及重金属离子的能力,直接影响根际离子进入根系中的含量;而根系细胞质膜透性的变化则反映了植物可能通过根系分泌作用的适应性和非适应性变化机制来改变根系有机酸、质子等的分泌状况,使之作用于根际环境,制约养分、REE及重金属元素在根际的形态转化与迁移分布模式,从而间接影响根际离子进入根系中的含量。本文从外源RE对根系生长状况和酶活性的影响;对根系细胞质膜透性和分泌作用的影响;对根际养分、REE及重金属元素动态的影响;对根系养分、REE及重金属元素吸收分布的影响等4个方面的国内外文献出发,就土壤-植物系统中外源RE作用下根-土界面养分、REE及重金属元素的转化、分布及其植物有效性的响应变化与相关机制做出综述,同时提出目前研究中存在的问题,对今后的研究方向进行展望。     

Quantification of Aluminum-Induced Changes in Wheat Root Architecture by X-ray Microcomputed Tomography

Root architectural traits are of fundamental importance for plant performance, especially under unfavorable soil conditions. This study examined the effect of aluminum (Al) toxicity in different growing media (nutrient solutions and soil) on root architecture of two wheat (Triticum aestivum L.) cultivars with different Al tolerances. Seedlings were grown in acidic and limed soil and in two contrasting nutrient solutions. Root systems of soil-grown plants were scanned using x-ray microcomputed tomography (µCT) while that of nutrient solution–grown plants were assesses using WinRhizo, 3 and 5 days after planting (DAP), respectively. Aluminum caused significant reduction of all examined root traits (number of seminal roots, root length, length of the longest seminal root, root surface area, and root volume). Growth in acidic soil caused significant reduction in root length, length of the longest seminal root, and root surface area at 5 DAP. Soil-grown plants produced a larger root system compared to plants grown in nutrient solutions. Aluminum toxicity–induced differences of root traits were also found between different nutrient solutions. Beside the well-known reduction of root length, Al toxicity had a profound effect on other root architectural traits. X-ray µCT has revealed root architectural changes under specific conditions of acidic, Al-toxic soil. Differences obtained in Al-induced effects on root architecture between different nutrient solutions as well as between different growing systems emphasize the need for further study of root architecture, especially under specific conditions of Al toxicity in acidic soils.     

Root Growth,Nutrient Uptake,and Nutrient-Use Efficiency by Roots of Tropical Legume Cover Crops as Influenced by Phosphorus Fertilization

Roots are important organs that supply water and nutrients to growing plants. Data related to root growth and nutrient uptake by tropical legume cover crops are limited. The objective of this study was to evaluate root growth of tropical legume cover crops and nutrient uptake and use efficiency under different phosphorus (P) levels. The P levels used were 0 (low), 100 (medium), and 200 (high) mg kg^?1 of soil, and five cover crops were evaluated. Root dry weight, maximum root length, and specific root length were significantly influenced by P and cover crop treatments. Maximum values of these root growth parameters were achieved with the addition of 100 mg P kg^?1 soil. The P?×?cover crops interactions for all the macro- and micronutrients, except manganese (Mn), were significant, indicating variation in uptake pattern of these nutrients by cover crops with the variation in P rates. Overall, uptake pattern of macronutrients was in the order of nitrogen (N) > calcium (Ca) > potassium (K) > magnesium (Mg) > P and micronutrient uptake pattern was in the order of iron (Fe) > Mn > zinc (Zn) > copper (Cu). Cover crops which produced maximum root dry weight also accumulated greater amount of nutrients, including N, compared to cover crops, which produced lower root dry weight. Greater uptake of N compared to other nutrients by cover crops indicated that use of cover crops in the cropping systems could reduce loss of nitrate (NO₃ ^?) from soil–plant systems. Increase in root length and root dry weight with the addition of P can improve nutrient uptake from the soil and lessen loss of macro- and micronutrients from the soil–plant systems.     

Hydraulic properties of Eucalyptus grandis in response to nitrate and phosphate deficiency and sudden changes in their availability

Some herbaceous plant species have been shown to dynamically alter the hydraulic properties of their roots in response to sudden changes in the concentrations of mobile nutrients. These hydraulic adaptations effectively allow plants to ‘chase' mobile nutrients across the rhizosphere. Trees, on the other hand, could mitigate effects of heterogeneous, dynamic soil environments with extensive root systems as such systems would effectively equalize nutrient availability. In addition, large dendritic root systems would reduce the effectiveness of rapid, localized, physiological hydraulic changes as these local changes might cancel each other at lower‐order root junctions. Thus, the aim of this study was to determine if trees (Eucalyptus grandis) employ short‐term (minutes to hours), physiological hydraulic changes or rely on long‐term (days), growth‐based hydraulic acclimations to enhance mobile nutrient uptake. We used two nutrients, nitrogen (N) and phosphorus (P), that are characterized by contrasting soil mobility: N being mobile and P immobile. Transpiration, whole‐plant hydraulic resistance (liquid phase), and the hydraulic resistance of single roots of E. grandis plants grown in high and low N combined with high and low P availability were measured. In general, plants grown with high N availability had lower whole‐plant hydraulic resistance than plants grown with low N availability. When N or P were in short supply, a sudden addition of N or P did not change either single‐root or whole‐plant hydraulic resistance at a given leaf water potential. However, addition of N reduced the transpiration rate, thus, enhancing plant water status, suggesting that E. grandis behavior prioritizes water conservation over N uptake in short‐term. Prolonged exposure to low nutrient availability resulted in high overall hydraulic resistance further suggesting prioritization of water conservation over N gain.