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中國農業大學資源與環境學院、國家農業綠色發展研究院申建波教授課題組對異質性結構根際中的根-土互作過程及根際調控機制進行了詳細闡述，提出了目前農業與根際科學研究中亟待解決的問題和未來研究方向。相關成果發表於Trends in Plant Science（IF=14.416）。
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Highlights
Root–soil interactions, involving rhizosphere sensing, root architecture and function, as well as root-induced rhizosphere processes, are crucial for soil health, sustainable food security, and resource use efficiency.
Heterogeneity is an important feature of the rhizosphere and this poses a challenge to a thorough understanding of root–soil processes.
Uneven distribution of soil particles and resources shapes root activities and the consequent root-induced modification of the rhizosphere.
Understanding and integrating root biology with soil processes in the context of the heterogeneous physical structure and resource distribution in soil will help close the application gap between rhizosphere research and agricultural practice, thereby contributing to sustainable crop production.
Abstract
Root–soil interactions in the rhizosphere are central to resource acquisition and crop production in agricultural systems. However, apart from studies in idealized experimental systems, rhizosphere processes in real agricultural soils in situ are largely uncharacterized. This limits the contribution of rhizosphere science to agriculture and the ongoing Green Revolution. Here, we argue that understanding plant responses to soil heterogeneity is key to understanding rhizosphere processes. We highlight rhizosphere sensing and root-induced soil modification in the context of heterogeneous soil structure, resource distribution, and root–soil interactions. A deeper understanding of the integrated and dynamic root–soil interactions in the heterogeneously structured rhizosphere could increase crop production and resource use efficiency towards sustainable agriculture.
植物主要通過根系從土壤中獲取水分和養分，以供植物生長發育所需。根際是植物根系-土壤發生互作最劇烈的區域，在很大程度上，控制著養分的活化和利用效率、土壤健康乃至可持續作物生產。如何從系統層面深入理解根際科學，通過根際調控挖掘根系/根際生物學潛力，改變「綠色革命」以來以高水肥投入、高資源消耗提高作物產量的思路，已成為亟待解決的難題。一個多世紀以來，根際科學在單一過程的研究方面取得了長足進展，但根際科學對「綠色革命」的貢獻仍面臨重大挑戰，根-土界面的複雜互作以及根際結構和資源分布的異質性大大限制了人們對根際過程理論與實踐的整體性認知。
文章指出，根際的異質性是制約根際理論與應用研究突破的關鍵瓶頸。根際異質性的土壤物理結構和水分養分資源的非均勻性分布深刻影響植物根系形態和功能，並誘導一系列根際過程的適應性變化。以往的根際研究往往關注均勻介質環境或單一過程的研究，忽視了土壤結構或資源分布的異質性，對真實自然條件下的根-土互作缺乏全面認知，導致根際科學與「綠色革命」難以有效結合。
植物根系能感知根際的物理結構和水肥資源分布（圖1）。從物理角度來看，無規則分布的土壤顆粒對根系伸長施加機械阻力。根尖引導著根系生長，使其避開障礙物，並找到軸向阻力較小的土壤孔隙；從營養角度來看，植物根系在水分/養分富集的斑塊中局部增生，以高效獲取異質性分布的資源。此外，根系生長、根分泌釋放、與微生物互作等通過反饋作用來進一步修飾根際的土壤特性。因此，根-土相互作用是雙向動態的過程。在真實根際環境中，物理、化學、生物等多種異質性可能共存並隨時間發生變化。因此，迫切需要對根際過程進行實時和原位研究。對於植物而言，剖析其信號系統如何整合根際中的多種感應過程仍是很大的挑戰（圖2）。探索植物整合多種根際過程的關鍵分子機理是未來重要的研究目標。
文章進一步強調了根際的異質性、植物響應根際異質性的機制，以及根際效應的反饋過程，從而探索更接近農業生產環境下的根-土相互作用。深入理解根際異質性對於根際科學與農業應用的有效結合，特別是通過根際定向調控，可顯著提高養分利用效率和作物生產力，對於實現作物可持續生產具有重要意義。未來的農作或農業必須發揮好根與根際互作增效的生物學潛力，從高投入、高消耗、高汙染型轉向為節肥增效、綠色發展。
圖1 根際感知是根系形態與生理響應以及異質性根際結構和資源分布多過程協調的核心
圖2 根際物理（A）、化學（B）和生物（C）互作過程及其調控機制的理論模型
申建波教授課題組王昕博士為該論文第一作者，申建波教授為通訊作者。本項工作得到國家自然科學基金、北京市高精尖學科-農業綠色發展科學項目資助，同時得到中國農業大學張福鎖院士工作室、國家創新團隊的支持。