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。     

集约化互作体系植物根系高效获取土壤养分的策略与机制

【目的】植物根系的形态与生理变化是植物从土壤中高效获取养分资源的重要机制，由相同物种或不同物种组成的互作体系中植物根系对养分的吸收利用受相邻植物竞争的强烈影响，阐明互作体系不同竞争条件下植物根系获取养分的策略并揭示其作用机制，这是基于根系觅食行为探讨养分高效利用的根际调控途径与技术措施的重要理论基础。主要进展根系属性的互补性有利于降低根系间对养分的竞争。根系构型的互补性，例如深根系与浅根系植物互作，促进个体植株对土壤剖面不同深度养分的吸收利用；由根系可塑性介导的水平方向上根系空间分布的互补性，提高了植物根系对同一土层不同空间位点土壤养分的挖掘；个体植株根系形态属性与相邻植物根际生理过程的互补性促进根系对不同形态养分的利用。互作体系根系获取养分的策略具有高度互补性，这有助于提高整个作物系统的养分利用效率，进而提高生产力。根系空间生态位的分离 (包括垂直与水平方向) 以及根际生物化学特征生态位的分离，是驱动互作体系根系高效获取养分资源的主要机制。合理的根层调控可以提高植物根系挖掘土壤养分的能力；优化互作体系物种的搭配能充分发挥根的互作效能，提高养分利用的生物潜力。问题与展望今后应进一步针对集约化高投入作物体系，通过管理根层养分供应和物种间的互作效应，强化根际养分信号的调控作用，调节根系形态与生理特性，降低种间竞争，增强种间互利，以最大化根系和根际的生物学潜力，提高养分利用效率和作物产量，为实现以节肥增效为核心的可持续集约化作物生产提供重要的调控策略与途径。     

中低品位磷矿资源高效利用机制与途径研究进展

磷矿是生产磷肥的原料，是不可再生的重要战略资源。高品位磷矿开采过度，面临枯竭。充分利用中低品位磷矿，是磷资源可持续高效利用的关键。中低品位磷矿有效磷含量低，提高磷的活化利用效率是综合利用中低品位磷矿的核心。然而，对中低品位磷矿的利用大多重视物理和化学方法的活化效应，忽视了植物自身根际效应的活化作用。植物通过调控根系形态与生理，以及根际互作效应，促进对中低品位磷矿养分的活化与吸收。这种基于根际过程的生物活化是磷资源高效利用的重要途径。本文在总结中低品位磷矿中磷的活化方法的基础上，提出了通过强化作物根际效应，挖掘植物的生物学潜力，提高作物对中低品位磷矿的综合利用效率，为磷资源的可持续利用提供科学依据。本文主要从根际效应层面剖析了中低品位磷矿高效利用的技术原理与途径。充分发挥作物高效利用磷的生物学潜力，有效利用作物的根际特性，实现土壤–作物–磷肥的匹配，开发“绿色”新型磷肥将是未来实现磷资源可持续利用的有效途径。加强磷矿中全量养分的综合利用也是未来研究的重点方向。     

根际微生物群落介导植物磷胁迫应答与免疫调控的整合机制

植物与土壤微生物的长期互作过程中，逐渐演化形成了植物?微生物相互适应的协同调控机制。植物种类和根系分泌物可以影响根际微生物的群落结构，而根际微生物群落反过来也可以影响植物对土壤环境中生物和非生物胁迫的响应。植物磷饥饿 (耐低磷) 响应机制和抗病 (免疫) 机制研究在农业生产上都具有十分重要的意义。近年来的研究表明，植物根际微生物可以介导植物对营养物质识别 (饥饿响应) 和病原防御系统 (免疫) 分子机制的整合调控。本文综述了本领域研究的最新进展，详细解析了植物体内磷胁迫调控与免疫调控两个重要网络在根际微生物群落影响下发生的整合调控，探讨了植物体内分子应答与根际生态的互作机制，对开展作物耐低磷及抗病机制的研究和应用都具有重要意义。     

根际生命共同体：协调资源、环境和粮食安全的学术思路与交叉创新

植物营养学研究近年来在植物养分高效分子机理、植物-微生物互作、根际互作与微生态调控、农田养分管理等研究领域取得了一系列原创性进展。然而,当前如何协调粮食安全、资源高效和环境可持续性仍面临巨大挑战。针对这一重大问题,本文提出"根际生命共同体(Rhizobiont)"学术思路,围绕"根际互作与养分高效"这一重大科学命题,构建"植物-根系-根际-菌丝际-土体及其微生物"根际生命共同体理论体系,突破植物-微生物、微生物-微生物关键界面互作机制,阐明根际生命共同体结构、功能及其在养分活化、吸收与利用中的作用机制,建立共同体多界面互作增效的生物学调控新途径,开辟植物-土壤-微生物交叉创新领域,根际生命共同体理论创新有助于破解粮食安全、资源高效、环境保护多目标协同的难题,支撑我国农业绿色发展。文章指出了根际生命共同体与养分高效研究的重点方向与内容,尤其是深入揭示和调控植物第二基因组——微生物组的作用正成为农业科学的研究前沿。     

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。     

从抑病土壤到根际免疫：概念提出与发展思考

作物土传病害已经成为集约化农业可持续发展中的瓶颈,在粮食安全、资源高效和生态健康多目标协同发展的指导思想下,系统的绿色防控理论和技术体系构建是破解该难题的重要前提。作为植物-土壤互作的热点区域,根际栖息着较土体土壤更丰富的微生物群落,是土传病原物入侵作物根系的必经之路。根际微生态系统中的植物、土壤、微生物组和病原物之间的交互作用必然影响着植物健康。笔者将根际微生态系统抵御土传病原物入侵的现象和能力,称之为"根际免疫"。本文重点梳理根际免疫概念形成的4个重要阶段:(1)抑病土壤概念的提出与发展;(2)抑病微生物筛选与作用机制;(3)抑病土壤核心微生物组及互作机制;(4)根际免疫概念的形成与发展思考。最后从关注根际微生态、注重学科交叉和系统揭示根际免疫机制三方面进行展望,以期为提升土壤-植物系统健康和实现农业可持续发展提供理论依据和技术支撑。     

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。     

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。     

《植物的根》（Plant Roots）

由Peter Gregory教授所著的《Plant Roots:Growth,Activity and Interactions with the Soil》(ISBN:1405119063)由世界著名出版公司Blackwell于2006年出版。PeterGregory教授是国际著名的根系研究科学家,现任英国苏格兰作物研究所所长。其目前的研究领域包括:利用X-ray CT进行根和根土界面的非损图像扫描;提高根土界面的资源利用效率;有毒金属在根际土壤的转化;全球变化和食物安全。以前的相关研究领域包括单作、间作粟和花生对根生长和水分利用的影响,温度对根系的影响;土壤中的水分运动;大麦和鹰嘴豆根系生长的基因型差异;旱地作…     

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。     

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。     

根土系统中的根系水力提升研究综述

根土系统可看作是土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统的子系统, 根土间存在着内在优化协调的动态机制以更大限度地为SPAC 过程提供水分和养分。植物根系的水力提升现象是根土系统对水分分异的根土环境中土壤水资源优化利用的过程, 是植物根系所具有的一种普遍现象。植物根系的水力提升作用利于植物对土壤水分利用最大化, 同时也促进了对土壤养分的吸收利用及对土壤环境的改善。可以从系统优化的观点对这一现象的存在进行理论解释, 其发生受一定的条件制约, 是必然中的偶然。根系水力提升量不容忽视, 在一些环境的植物中, 水力提升提供了很大比例的蒸腾水分, 不仅对植物蒸腾耗水有利, 更存在广泛的生理生态意义。研究根系提水的应用对干旱区农业发展和生态修复有着潜在的价值, 具有广泛的研究前景。     

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。     

根-土界面的微生态过程与有机污染物的环境行为研究

土壤-植物系统是地球生态系统中与人类生存与健康关系最为密切的亚系统。该系统中有机污染物的运移必须历经根-土界面多层次的微生态过程的控制。这些微生态过程涉及到系统中许多生物、生物化学和物理化学反应机理,与土壤中污染物迁移转化及其归宿等环境行为具有密切的关系。理解这些微生态过程及其对有机污染物环境行为的影响,对提高作物生长、改善土壤环境质量和提高农产品品质安全具有直接的理论和实践指导意义。     

根际对话及其对植物生长的影响

有了根际，也就有了根际对话。根际对话是发生在根际土壤中各种生物间，包括植物根系之间以及根系与土壤生物（细菌、真菌和土壤动物）之间的相互作用－即根际生物间的物质和能量交换以及信息传递。根系分泌物在根际对话中起着“语言”的作用。在根际对话中，植物起主导作用，对话的结果会对植物生长产生影响。根际生物之间相互作用的实质是对生长空间、水分和养分等资源的竞争。与根际研究相比，有意识地研究根际对话及其对植物生长影响才刚刚开始。研究方法和手段的局限性成为揭示根际对话机制的瓶颈。本文综述近年来国际上在根际对话及其对植物生长影响方面的研究进展和动态，期望我国在根际对话的基础和应用研究领域能够得到快速发展。     

水安全与粮食安全

水安全是粮食安全的基础,实现农业水资源的高效利用是保障水安全和粮食安全的根本途径。本文阐述了水安全与粮食安全的概念;分析了全球及我国水安全与粮食安全现状和未来形势;辨析了粮食安全的水资源保障战略的构成要素及我国节水农业的发展重点;并就粮食生产的水资源高效利用、水资源高效配置与调控、农业水资源消耗的生态环境效应以及应对旱涝极端气候等进行了讨论,进而对主要科学问题进行了归纳,包括作物理想耗水与多过程协同调控机制、强人类活动下灌区多尺度水循环与伴生过程、粮食生产-水资源-生态过程的互馈机制以及农业旱涝致灾机理与预警机制。