植物主要通过根系从土壤中获取水分和养分,以供植物生长发育所需。根际是植物根系-土壤发生互作最剧烈的区域,在很大程度上,控制着养分的活化和利用效率、土壤健康乃至可持续作物生产。如何从系统层面深入理解根际科学,通过根际调控挖掘根系/根际生物学潜力,改变“绿色革命”以来以高水肥投入、高资源消耗提高作物产量的思路,已成为亟待解决的难题。一个多世纪以来,根际科学在单一过程的研究方面取得了长足进展,但根际科学对“绿色革命”的贡献仍面临重大挑战,根-土界面的复杂互作以及根际结构和资源分布的异质性大大限制了人们对根际过程理论与实践的整体性认知。


文章指出,根际的异质性是制约根际理论与应用研究突破的关键瓶颈。根际异质性的土壤物理结构和水分养分资源的非均匀性分布深刻影响植物根系形态和功能,并诱导一系列根际过程的适应性变化。以往的根际研究往往关注均匀介质环境或单一过程的研究,忽视了土壤结构或资源分布的异质性,对真实自然条件下的根-土互作缺乏全面认知,导致根际科学与“绿色革命”难以有效结合。
植物根系能感知根际的物理结构和水肥资源分布(图1)。从物理角度来看,无规则分布的土壤颗粒对根系伸长施加机械阻力。根尖引导着根系生长,使其避开障碍物,并找到轴向阻力较小的土壤孔隙;从营养角度来看,植物根系在水分/养分富集的斑块中局部增生,以高效获取异质性分布的资源。此外,根系生长、根分泌释放、与微生物互作等通过反馈作用来进一步修饰根际的土壤特性。因此,根-土相互作用是双向动态的过程。在真实根际环境中,物理、化学、生物等多种异质性可能共存并随时间发生变化。因此,迫切需要对根际过程进行实时和原位研究。对于植物而言,剖析其信号系统如何整合根际中的多种感应过程仍是很大的挑战(图2)。探索植物整合多种根际过程的关键分子机理是未来重要的研究目标。
文章进一步强调了根际的异质性、植物响应根际异质性的机制,以及根际效应的反馈过程,从而探索更接近农业生产环境下的根-土相互作用。深入理解根际异质性对于根际科学与农业应用的有效结合,特别是通过根际定向调控,可显著提高养分利用效率和作物生产力,对于实现作物可持续生产具有重要意义。未来的农作或农业必须发挥好根与根际互作增效的生物学潜力,从高投入、高消耗、高污染型转向为节肥增效、绿色发展。


图1 根际感知是根系形态与生理响应以及异质性根际结构和资源分布多过程协调的核心





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2020年10月21日

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