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。     

植物营养分子遗传研究进展

过去10年间,在植物矿质养分吸收利用与养分胁迫诱导调节机理分于生物学方面的研究进展使我们对植物营养分子遗传背景有了新的了解。本文对有关养分转运子基因克隆,养分胁迫诱导调节机理,应用分子标记技术研究养分吸收利用遗传背景等方而的研究进展及方法作一介绍。     

中国植物营养生物学研究重要进展和展望

植物营养生物学是重点研究植物活化、吸收、转运与利用养分的生理、分子及遗传机制的科学,是支撑基于植物营养生理和分子遗传的农业养分高效新技术、新品种、新肥料可持续发展的重要基础学科之一。30多年来,中国植物营养生物学研究取得了显著进展,尤其是近5年来,中国植物营养生物学领域的科学家在国际综合性学术期刊及植物科学主流期刊发表的论文数量大幅增加,在营养元素高效、营养逆境耐性、根际和根系分泌物等若干领域取得了重要成果。本文评述了近5年来中国科学家在植物营养生物学若干领域取得的重要研究进展,以期追踪和报道当前中国植物营养生物学科领域发展的前沿和热点,并对存在的问题和未来的发展方向进行了探讨。     

一氧化氮在植物发育及植物–微生物互作中的作用机制研究进展

一氧化氮 (NO) 作为高活性信号分子,是调控植物生长发育的关键因子。NO可提高植物对非生物胁迫及生物胁迫的抗性,增强植物的免疫能力。最新的研究表明,NO在植物根系与微生物的互作过程中发挥着重要作用,NO能够促进植物根系与根瘤菌及丛枝菌根真菌形成共生体,从而提高植物对土壤氮磷养分的获取。NO作为信号物质调控植物对生物胁迫和非生物胁迫抗性的主要机制有:1) NO与活性氧系统互作,调节活性氧的水平,缓解氧化应激反应对植物的伤害;2) NO通过蛋白质的翻译后修饰,对植物免疫及抗逆过程进行调节;3) NO与多种植物激素互作,参与激素对植物生长发育的调节过程。而且NO可促进共生体的形成及发育相关基因表达,抑制免疫基因表达,通过NO与植物球蛋白 (phytoglobin) 的循环维持共生体的氧化还原水平及能量状态,从而促进植物–微生物共生关系。以往关于NO的研究主要集中在前3个方面,有关NO在植物–微生物互作中的作用机制的研究较少,NO参与植物–微生物互作机制的研究亟待加强。揭示NO增强植物抗逆性及其调节根系发育的机制,深入探究NO调控植物–微生物互作的机理,对于提高集约化作物生产体系中养分利用效率和作物生产力具有重要的理论与实践意义。     

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。     

作物营养从有机肥到化肥的变化与反思

二十世纪前，农业生产主要靠施用有机肥为作物提供营养，维持地力不衰，这一时期一般称为“有机营养”阶段。之后，化肥逐渐取代有机肥，成为作物养分的主要来源，农业生产进入以化肥养分供应为主的“无机营养”阶段。化肥的连续大量施用在作物增产方面发挥了巨大作用，也带来了不少问题，以致近年来出现了怀疑或否定农业生产中施用化肥的思潮。为此，本文回顾了植物营养学科的发展历程和我国化肥使用的历史，指出仅靠施用有机肥、种植豆科作物等传统的营养作物的方式难以满足农业生产对养分的需求，化肥与有机肥配合施用是我国农业发展的正确道路。目前生产中，化肥施用存在不合理和过量问题，有机肥施用方面，主要是集约化养殖业与种植业的不合理布局，存在种养分离，难以农业利用等养分管理问题。同时解决这两个问题，除采取已有的合理施肥技术及方法外，还应改变从植物营养角度只重视氮磷钾等无机养分的供应，拓宽为重视碳、氮、磷及钾等不同元素间的时空平衡关系；以农业生态系统养分资源高效循环利用为核心，采取不同方式实现有机–无机营养的结合，应避免陷入有机与无机营养的争论；从生物地球化学循环角度看待养分利用与管理问题，关注养分在田块、流域及区域尺度的流向及对土壤、水体及大气的影响；将科技与政策等有效结合，提高养分利用效率，减少养分损失，保障我国农业的健康持续发展。     

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。     

耕地地力对化肥养分利用的影响机制及其调控研究进展

耕地地力影响了化肥养分的利用效率,是调控养分利用率的基础途径。本文概述了耕地土壤障碍对养分利用的制约机制、耕地地力培育对养分利用的促进机制、提高养分资源利用效率的耕地培肥模式3个方面的研究进展。针对我国主要的耕地土壤–作物系统,提高化肥养分利用率需要解决4个地力调控方面的关键问题:地力与养分利用率关系及其时空变化规律、土壤障碍制约养分高效蓄积转化机制与消减原理、地力培肥促进根系–土壤–微生物互作提高养分耦合利用机制及调控途径、肥沃耕层构建与生物功能提升对养分蓄纳供应的协同驱动增效机制与调控理论。本文提出基于多时空尺度综合研究,建立稳定提升土壤功能–加速养分循环利用的"双核驱动"地力综合管理理论,在不同区域构建并应用化肥减施增效的耕地地力综合管理模式,实现耕地大面积均衡减施化肥的目标。     

论作物养分效率及其遗传改良

作物养分效率遗传改良已成为植物营养学重点研究领域之一,但对于养分效率的概念及其组成因素,以及养分高效性状依然存在很多认识误区,限制了养分高效育种成效。本文论述了养分效率及其相关指标的定义,从作物学、植物营养生理学、分子生物学和遗传学多个角度分析了养分高效吸收、养分高效利用的生理学决定因素及其对养分高效育种的启示。指出除了高通量养分高效表型分析技术的限制,还缺乏对田间水平上养分高效生理学机制的深入理解,不清楚养分高效的次级生理指标,已成为限制养分高效育种的因素之一。未来应该充分利用现代分子生物学研究手段,加强田间条件下的养分高效生理学机制研究,将养分吸收、分配、转运等生理过程与作物生长发育调控密切关联,关注群体种植条件下的最优植株性状,在田间实际生长条件下进行鉴定,才有可能获得实用的养分高效品种。     

钾在植物抗病性中的作用及机理的研究进展

本文对近些年来有关钾营养与植物病害关系的研究进行综述。主要从钾对酚代谢、碳、氮代谢及其活性氧代谢调控的角度,评述钾素营养提高植物抗病性的机理;同时讨论了钾肥的施用方式、钾肥形态、施用量、土壤本身钾素状况等共同影响钾素对植物的抗病性及其可能机理。最后提出这一研究领域存在的若干问题。     

Soil Fertility and Plant Nutrition Research Under Field Conditions: Basic Principles and Methodology

In the agricultural science, soil fertility and plant nutrition have played an important role during the 20th century in increasing crop yields. In the 21st century, importance of this field is still expanding due to the limitations of natural resources (land and water), sustainable agriculture, and concern about environmental pollution. In this context, increasing crop yields will be associated with rational use of chemical fertilizers, increasing use of organic sources of nutrients, recycling of plant available nutrients, and exploiting genetic potential of crop species or cultivars within species in efficient use of nutrients. Hence, in the future, increasing crop yields will be a challenge for agricultural and soil scientists. Conducting fertilizer field trials for adequate sources, methods, rates, timing of application along with crop species or genotypes within species, under different agroecological regions are necessary to generate data and their use for achieving maximum economic crop yields. The objective of this article is to present basic concepts and discuss methodology of soil fertility and plant nutrition research under field conditions.     

Soil Fertility and Plant Nutrition Research Under Controlled Conditions: Basic Principles and Methodology

In modern agriculture, use of essential plant nutrients in adequate amounts and proper balance is one of the key components in increasing crop yields. Further, in developing crop production technologies, research work under field and controlled conditions is necessary to generate basic and applied information. In addition, research is very dynamic and complex due to variation in climatic, soil, and plant factors and their interactions. This demands that basic research information can only be obtained under controlled conditions to avoid or reduce effects of environmental factors on treatments. Hence, the objective of this article is to discuss basic principles and methodologies of research in soil fertility and mineral nutrition under controlled conditions. Topics discussed are soil and solution culture experimental techniques including, fertilizer application and planting, liming acid soils, experimental duration and observations, composition of nutrient solutions, preparation and sources of iron (Fe) in nutrient solutions, pH of nutrient solutions, and stable supply of nutrients in the solution culture.     

干旱条件下土壤中锌的有效性及与植物水分利用的关系

我国北方地区石灰性土壤上缺锌与干旱限制因子同时存在,影响作物生长和产量提高。本文综述了干旱胁迫影响土壤锌的有效性和植物对锌吸收利用的可能机制:土壤中锌不同形态间的转化与化学行为、根际土壤中锌的移动性、植物根系形态和生理反应、植物体内锌的运输以及植株对锌的需求等在水分胁迫下都可能发生变化。植物锌营养状况可能与植物气孔开闭、活性氧代谢和基因转录因子-锌指蛋白的形成等关系密切,从而影响植物对水分的吸收利用和对干旱胁迫的适应。     

腐植酸促进植物生长的机理研究进展

【目的】腐植酸在我国农业生产中发挥了重要作用,许多研究证实,腐植酸具有促进植物生长的功能,本文从腐植酸刺激植物根系生长、调控土壤与肥料养分转化及肥料利用率和影响土壤微生物和酶活性方面,系统总结了国内外施用腐植酸促进植物生长的途径,阐述了腐植酸对植物生长促进作用的机理,旨在梳理腐植酸促进植物生长机理的研究现状,为腐植酸的进一步研究和应用提供参考依据。[主要进展]1）腐植酸能够对植物产生类似生物刺激素的效应。它能够提高植物根系H+-ATP酶等的活性、刺激植物根伸长和侧根生长点的增加,从而增加根系活力及植物根系与土壤养分的接触面积,增加植物对养分的吸收;2）逆境胁迫下,腐植酸能够通过调节植物体内的新陈代谢并改善植物生长环境,缓解甚至消除逆境胁迫对植物的伤害,从而促进植物生长;3）腐植酸能够通过与氮素、磷素和钾素发生结合效应,与磷酸盐产生竞争效应和对钾离子的吸附作用固持与活化土壤与肥料中的养分,提高土壤肥料有效性和缓释性能,提高肥料利用率,从而促进植物生长;4）腐植酸还能够影响土壤中与养分转化相关的酶活性和微生物群落结构及数量,在活化养分的同时,保蓄养分,降低养分的损失,为植物生长保障持久的养分供应;5）腐植酸对植物生长的促进效应受腐植酸结构特征、添加量和供试植物种类等因素的影响。[建议与展望]由于技术手段的限制和研究技术的差异,人们对腐植酸促进植物生长机理的认识还不够系统和深入,因此,腐植酸的基本特征、影响腐植酸作用的主控因子、土壤-植物系统中腐植酸促进植物生长的主要途径和腐植酸对土壤功能性微生物等的影响都将成为未来研究的重要方向。     

我国南方作物高效施钾技术的研究进展

本文扼要地总结了近年来中国南方地区主要农作物高效施钾技术的研究结果,从土壤供钾水平、作物种植方式、营养元素之间的相互关系与作用、作物水分利用效率、土壤物理性状等方面阐明了平衡施用钾肥对作物生产和作物抵抗外界胁迫的促进作用。     

以钙镁磷肥产品创新促进产业发展

钙镁磷肥是一种富含磷、钙、镁、硅等营养元素的碱性矿质肥料，可补充植物所需的微量元素，改良酸性土壤、有效减轻重金属污染和提升作物营养与品质。一直以来，钙镁磷肥仅被认为是低含量的磷肥，产销量从高峰时期的近千万吨，下降到近年来的百万吨左右，市场占有率仅为磷肥总量的1%左右，且售价不高，导致企业经营困难。本文从植物营养角度，分析了钙镁磷肥中养分的有效性，肯定了钙镁磷肥作为肥料的必要性；从钙镁磷肥的产业现状入手，用详实的数据分析了钙镁磷肥近年来的产量和市场情况；从产品技术改造方面提出了助推钙镁磷肥提质增效的思路。钙镁磷肥中除含有12%～20%的枸溶性磷外，所含的钙、镁、硅的有效性高于绝大多数工业炉渣。钙镁磷肥施入土壤后，开始时有效磷量较低，但随着时间的延长，有效磷量明显提高，在酸性土壤中肥效优于过磷酸钙。发展钙镁磷肥产业，不仅可充分利用我国的中低品位磷矿资源，还可以补充我国大面积酸性土壤中的盐基离子，提供水稻、甘蔗等需硅量大的作物的硅营养，是不可多得的兼具多元素营养与土壤改良功能的肥料产品。钙镁磷肥提质增效的思路包括:1) 在钙镁磷肥中添加植物所需的微量元素，使得钙镁磷肥从单一的肥料产品定位升级为具有调理土壤和调理植物的功能化产品；2) 产品外观由粉状改为颗粒状，以适应机械化施肥和掺混肥需求；3) 制定产品新标准，体现出钙镁磷肥产品优势；4) 加强钙镁磷肥多产品性状的施用方法研究。今后应基于技术创新、产品创新，并结合营销创新，助力钙镁磷肥产业转型升级，绿色健康发展。     

The Role of Nutrient Efficient Plants in Improving Crop Yields in the Twenty First Century

In the 21st century, nutrient efficient plants will play a major role in increasing crop yields compared to the 20th century, mainly due to limited land and water resources available for crop production, higher cost of inorganic fertilizer inputs, declining trends in crop yields globally, and increasing environmental concerns. Furthermore, at least 60% of the world's arable lands have mineral deficiencies or elemental toxicity problems, and on such soils fertilizers and lime amendments are essential for achieving improved crop yields. Fertilizer inputs are increasing cost of production of farmers, and there is a major concern for environmental pollution due to excess fertilizer inputs. Higher demands for food and fiber by increasing world populations further enhance the importance of nutrient efficient cultivars that are also higher producers. Nutrient efficient plants are defined as those plants, which produce higher yields per unit of nutrient, applied or absorbed than other plants (standards) under similar agroecological conditions. During the last three decades, much research has been conducted to identify and/or breed nutrient efficient plant species or genotypes/cultivars within species and to further understand the mechanisms of nutrient efficiency in crop plants. However, success in releasing nutrient efficient cultivars has been limited. The main reasons for limited success are that the genetics of plant responses to nutrients and plant interactions with environmental variables are not well understood. Complexity of genes involved in nutrient use efficiency for macro and micronutrients and limited collaborative efforts between breeders, soil scientists, physiologists, and agronomists to evaluate nutrient efficiency issues on a holistic basis have hampered progress in this area. Hence, during the 21st century agricultural scientists have tremendous challenges, as well as opportunities, to develop nutrient efficient crop plants and to develop best management practices that increase the plant efficiency for utilization of applied fertilizers. During the 20th century, breeding for nutritional traits has been proposed as a strategy to improve the efficiency of fertilizer use or to obtain higher yields in low input agricultural systems. This strategy should continue to receive top priority during the 21st century for developing nutrient efficient crop genotypes. This paper over views the importance of nutrient efficient plants in increasing crop yields in modern agriculture. Further, definitions and available methods of calculating nutrient use efficiency, mechanisms for nutrient uptake and use efficiency, role of crops in nutrient use efficiency under biotic and abiotic stresses and breeding strategies to improve nutrient use efficiency in crop plants have been discussed.