根-土界面镉的生态化学行为与毒理效应研究进展

根-土界面是物质交换最频繁的特殊微型生态区域,其pH、Eh和根系分泌物是决定这个微域环境性质变化的三大重要因素,其对镉(Cd)等重金属的吸收、转化和迁移等生态化学行为及毒理效应起着决定性的作用.本文就十几年来有关Cd在根-土界面pH、Eh和根系分泌物变化影响下的生态化学行为、根-土界面Cd的生态毒理效应(包括微生物生态毒理效应和酶的生态毒理作用)研究进展进行了综合论述,指出了目前研究中存在的不足,并就今后需要进一步解决的科学问题提出了建议.     

重金属不同积累型植物品种的根际生态效应分析

植物对重金属的吸收积累与其根际环境密切相关, 因此对于根际生态效应的研究有助于理解不同品种积累重金属差异的机理。从根系形态、根际土壤化学特性、根系分泌物及微生物特性等方面对根际生态效应和植物积累重金属的关系进行了综述, 旨在从根际方面诠释植物积累重金属差异的机理, 并为重金属积累典型品种的选育提供理论基础。     

根际微型土壤动物——原生动物和线虫的生态功能

从养分释放、土壤有机碳积累和稳定、根系激素效应、微生物多样性和功能稳定性、地上部多营养级关系及污染土壤生物修复概述了根际微型土壤动物(原生动物和线虫)对根际生态功能的影响,特别针对微型土壤动物与微生物和根系的相互作用探讨了可能的机制。微型土壤动物的选择取食、主动迁移和代谢分泌行为,不仅贡献根际生态功能,而且对土壤整体及地上部群落有强烈的影响。总之,不考虑根际微型土壤动物与微生物和根系的相互作用,就不可能对根际生态功能和调控机制有全面的认识。     

Root exudates and their ecological consequences in forest ecosystems: Problems and perspective

植物根际过程与调控机理研究已成为当前土壤学最活跃、最敏感的研究领域, 而根系分泌物作为根系-土壤-微生物界面物质能量交换和信息传递的重要媒介物质, 是构成根际微生态系统活力与功能特征的内在驱动因素, 是根际概念与根际过程存在的重要前提和基础。然而, 由于传统的根际过程研究更强调以实际生产问题为导向, 加之农作物生长周期较短、操作便利等诸多因素, 以往对植物根系分泌物研究主要聚焦在农业生态系统, 而有关根系分泌物在森林生态系统中的重要作用与调控机理研究甚少, 认识相对零散和片段化。基于此, 该文结合作者实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态, 综述了森林根系分泌物的生态重要性, 重点论述了目前森林根系分泌物生态学研究中存在的主要问题与不足, 在此基础上展望了未来森林根系分泌物生态学研究中值得关注的重点方向和研究内容。     

Advances and perspective in research on plant-soil-microbe interactions mediated by root exudates

根系分泌物是植物与土壤进行物质交换和信息传递的重要载体物质, 是植物响应外界胁迫的重要途径, 是构成植物不同根际微生态特征的关键因素, 也是根际对话的主要调控者。根系分泌物对于生物地球化学循环、根际生态过程调控、植物生长发育等均具有重要功能, 尤其是在调控根际微生态系统结构与功能方面发挥着重要作用, 调节着植物-植物、植物-微生物、微生物-微生物间复杂的互作过程。植物化感作用、作物间套作、生物修复、生物入侵等都是现代农业生态学的研究热点, 它们都涉及十分复杂的根际生物学过程。越来越多的研究表明, 不论是同种植物还是不同种植物之间相互作用的正效应或是负效应, 都是由根系分泌物介导下的植物与特异微生物共同作用的结果。近年来, 随着现代生物技术的不断完善, 有关土壤这一“黑箱”的研究方法与技术取得了长足的进步, 尤其是各种宏组学技术(meta-omics technology), 如环境宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白组学、宏代谢组学等的问世, 极大地推进了人们对土壤生物世界的认知, 尤其是对植物地下部生物多样性和功能多样性的深层次剖析, 根际生物学特性的研究成果被广泛运用于指导生产实践。深入系统地研究根系分泌物介导下的植物-土壤-微生物的相互作用方式与机理, 对揭示土壤微生态系统功能、定向调控植物根际生物学过程、促进农业生产可持续发展等具有重要的指导意义。该文综述了根系分泌物的概念、组成及功能, 论述了根系分泌物介导下植物与细菌、真菌、土壤动物群之间的密切关系, 总结了探索根际生物学特性的各种研究技术及其优缺点, 并对该领域未来的研究方向进行了展望。     

根系分泌物介导下植物-土壤-微生物互作关系研究进展与展望

根系分泌物是植物与土壤进行物质交换和信息传递的重要载体物质, 是植物响应外界胁迫的重要途径, 是构成植物不同根际微生态特征的关键因素, 也是根际对话的主要调控者。根系分泌物对于生物地球化学循环、根际生态过程调控、植物生长发育等均具有重要功能, 尤其是在调控根际微生态系统结构与功能方面发挥着重要作用, 调节着植物-植物、植物-微生物、微生物-微生物间复杂的互作过程。植物化感作用、作物间套作、生物修复、生物入侵等都是现代农业生态学的研究热点, 它们都涉及十分复杂的根际生物学过程。越来越多的研究表明, 不论是同种植物还是不同种植物之间相互作用的正效应或是负效应, 都是由根系分泌物介导下的植物与特异微生物共同作用的结果。近年来, 随着现代生物技术的不断完善, 有关土壤这一“黑箱”的研究方法与技术取得了长足的进步, 尤其是各种宏组学技术(meta-omics technology), 如环境宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白组学、宏代谢组学等的问世, 极大地推进了人们对土壤生物世界的认知, 尤其是对植物地下部生物多样性和功能多样性的深层次剖析, 根际生物学特性的研究成果被广泛运用于指导生产实践。深入系统地研究根系分泌物介导下的植物-土壤-微生物的相互作用方式与机理, 对揭示土壤微生态系统功能、定向调控植物根际生物学过程、促进农业生产可持续发展等具有重要的指导意义。该文综述了根系分泌物的概念、组成及功能, 论述了根系分泌物介导下植物与细菌、真菌、土壤动物群之间的密切关系, 总结了探索根际生物学特性的各种研究技术及其优缺点, 并对该领域未来的研究方向进行了展望。     

根-土界面水分再分配研究现状与展望

对根 -土界面水分再分配的研究背景 (概念、发现及证据 )、普遍性与再分配的水量及其生理生态学意义 (对相邻植物利用水分、根际活动、土壤 -植物 -大气系统水分传输和根系可塑性发育的促进效应 )等进行了深入论述 ,对水分再分配的认识和研究方法进行了探讨 ,并对未来的相关研究进行了展望     

植物根际微生物群落构建的研究进展

植物根际是指植物根系与土壤的交界面,是根系自身生命活动和代谢对土壤影响最直接、最强烈的区域,其物理、化学和生物性质不同于土体土壤。在这个区域里,与植物发生相互作用的大量微生物,被称为根际微生物。根际微生物在植物的生长发育和植物病虫害的生物防治等方面都具有十分重要的意义。本文总结了根际微生物群落构建的研究现状,介绍了根际微生物的经典和最新的研究方法,包括根箱法、同位素技术以及高通量测序、菌群定量分析、高通量分离培养等方法在根际微生物研究中的应用,讨论了植物根系分泌物(碳水化物、氨基酸、黄酮类、酚类、激素及其信号物质)和土壤物理化学性质对根际微生物群落的影响,概述了根际微生物-植物的互作机制,以及根际微生物群落对植物的促生作用、提高植物抗逆性和抑制作用,并对根际微生物群落研究中存在的问题和未来发展方向进行了展望。     

根际圈在污染土壤修复中的作用与机理分析

根际圈以植物根系为中心聚集了大量的生命物质及其分泌物,构成了极为独特的“生态修复单元”。本文叙述了根在根际圈污染土壤修复中的生理生态作用,富集、固定重金属,吸收、降解有机污染物等功能;菌根真菌对根际圈内重金属的吸收、屏障及螯合作用,对有机污染物的降解作用;根际圈内细菌对重金属的吸附与固定,对有机污染物的降解作用以及根际圈真菌和细菌的联合修复作用等,同时对可能存在的机理进行了分析,认为根际圈对污染土壤的修复作用是植物修复的重要组成部分和主要理论基础之一,并指出利用重金属超富集植物修复重金属污染土壤具有广阔的应用前景;筛选对水溶性有机污染物高吸收富集及其根 发泌能力强的特异植物,同时接种利于有机污染物降解的专性或非专性真菌和细菌可能会成为有机污染土壤植物修复研究的重要方向之一。     

根际微生态调控白菜根肿病发生的机制研究进展

白菜根肿病是由芸薹根肿菌(Plasmodiophora brassicae Woron)引起的一种常见土传病害,主要危害白菜的根部。根际是土壤-植物-微生物相互作用最活跃的关键微域,根际微生态系统中的微生物失衡是导致土传病害的重要因素,深入探究根际微生态与土传病害互作机制,有利于从根际微生物、抑病物质和功能代谢等方面挖掘防控土传病害安全高效的方法。本文综述了根际微生态与白菜根肿病的发生机制关系,从该病害的危害、发生的根际微生态机制及生防菌防治研究等方面综合分析了根际微生物调控白菜根肿病发生的机制,以期为白菜根肿病防控、促进土壤健康和维持根际微生态系统稳定提供理论依据。     

Analytical study of the effects of some soil and plant parameters on root growth due to absorption of one mobile ion: A free-boundary model

The object of our study is: a model for root growth through a free-boundary problem and the effects resulting from differences in nutrient availability and transport of only one mobile nutrient between the root surface and the rhizosphere produced by an absorption Michaelis-Menten for low and high concentrations. The model equations are solved by two methods: the quasi-stationary method and the balance integral method. The numerical solutions are used to compute radial root growth. Curves of nutrient concentration at the root-soil interface, curve as a function of root radius as well as curves representing root radius as a function of time are plotted. The parameters which are varied are the root absorption power, flux velocity at the root surface, efflux, rhizosphere radius, diffusion coefficient, buffer power, and maximum influx. The two methods show the theoretical results for radial root growth in the range of low and high concentrations. The balance integral method provides more detailed information.     

根分泌作用与植物对金属毒害的抗性

在金属污染进入体内之前将其有效性和毒性降低是植物的主要抗金属机制之一,根系是金属等土壤污染物进入植物的门户,它能分泌有机酸、氨基酸,糖、生长物质等根分泌物与根际环境,根分泌物在植物吸收金属的过程中影响很大,它们可以通过改变根球环境的ＰＨ、Ｅｈ等物理、化学性质而影响根系对金属的吸收;通过螯合、络合,沉淀等作用将金属污染物滞留于根外;通过改变根际微生的组织,活性和分泌作用而改变根际环境中金属的数量和活     

根系分泌物收集技术研究进展

根系分泌物在调控陆地生态系统根际微环境间的物质、能量和信息交流中具有重要作用.构建准确、适用的根系分泌物收集方法,对根系分泌物的种类、含量及其对环境变化的响应等信息的精准获取是理解植物根系-土壤界面生态过程与信息交流的关键环节和前提.目前,传统或新型的根系分泌物收集技术都致力于认知根系分泌物中化合物种类多样性和含量变化,但根系的生长高度依赖周围介质和生长环境,使根系分泌物的收集很难避开对根系本身的损伤、土壤颗粒对根系分泌物的吸附和释放,以及微生物代谢等因素的干扰,导致不同根系分泌物收集方法都存在各自的优缺点.本研究从室内收集和野外原位收集两方面系统综述了当前应用较广的一些传统和新型根系分泌物收集技术,并总结和比较了每种收集方法的优缺点;在此基础上,基于森林根际生态学过程野外原位研究的重要性和代表性,结合当前根系分泌物研究的不足,展望了未来森林根系分泌物野外原位收集技术构建中值得关注的3个重点方向,旨在为相关研究者开展根系分泌物收集与作用研究提供参考.     

The role of root exudates and allelochemicals in the rhizosphere

Plant roots serve a multitude of functions in the plant including anchorage, provision of nutrients and water, and production of exudates with growth regulatory properties. The root–soil interface, or rhizosphere, is the site of greatest activity within the soil matrix. Within this matrix, roots affect soil structure, aeration and biological activity as they are the major source of organic inputs into the rhizosphere, and are also responsible for depletion of large supplies of inorganic compounds. Roots are very complicated morphologically and physiologically, and their metabolites are often released in large quantities into the soil rhizosphere from living root hairs or fibrous root systems. Root exudates containing root-specific metabolites have critical ecological impacts on soil macro and microbiota as well as on the whole plant itself. Through the exudation of a wide variety of compounds, roots impact the soil microbial community in their immediate vicinity, influence resistance to pests, support beneficial symbioses, alter the chemical and physical properties of the soil, and inhibit the growth of competing plant species. In this review, we outline recent research on root exudation and the role of allelochemicals in the rhizosphere by studying the case of three plants that have been shown to produce allelopathic root exudates: black walnut, wheat and sorghum     

根系分泌物及其在植物修复中的作用

 近年来环境污染日益严重,污染物在土壤植物中的行为引起了人们的高度关注。利用植物去除土壤水体等介质中污染物的植物修复是近10年来兴起的一项安全、廉价的技术,已成为污染生态学和环境生态学的研究热点,它通过植物吸收、根滤、稳定、挥发等方式清除环境中的重金属和有机污染物。国内外有关植物修复的研究报道和概述很多, 但对植物根系分泌物在植物修复中所起的作用及其机理少有述评。 本文从根系分泌物对土壤重金属和土壤有机污染物的去除作用出发,对根系分泌物的种类、数量及其在去除环境污染物中的作用机理和功能地位进行了总结,并借助研究事例对影响植物根系分泌的内外因子,如植物种类、营养胁迫、重金属胁迫、根际环境的理化性质、土壤微生物及其它环境因子进行了讨论。概言之,根系分泌物在修复污染土壤中的重金属途径是多种多样的,主要是通过调节根际pH值、与重金属形成螯合物、络合反应、沉淀、提高土壤微生物数量和活性来改变重金属在根际中的存在形态以及提高重金属的生物有效性,从而减轻它对环境的危害。在清除有机污染物时,根系分泌物中的酶可以对有机污染物进行直接降解,根系分泌物影响下的微生物也可以对有机污染物进行间接降解,且被认为是主要的降解途径。根系分泌物在植物修复过程中确实起着某些重要作用,今后应将这方面的研究重点放在某些特异性根系分泌物植物,尤其是某些重金属超富集植物资源的寻找、筛选上,通过室内实验和野外研究确定其根系分泌物对清除重金属和有机污染物的效率,证实超富集植物根系分泌物的特异性与污染物超富集的内在联系,找到污染土壤生态恢复和治理的有效方法并加以推广应用,如针对性地在被污染地大面积种植此类具特异性根分泌物植物,并辅以营林措施如修剪等,加快生物修复进程,提高修复效率。植物根系分泌物在植物修复过程中所具有的重要生态意义和可能应用前景,为污染生态学和化学生态学之间的联合研究开拓了全新的领域,今后将取得新的突破和重要进展。     

Measurement of water fluxes and potentials in a single root-soil system

Summary The usefulness of a tensiometer-potometer system in investigations of water flow in the, vicinity of a plant root has been demonstrated. Measurements were made of the root-soil interface water potential, xylem potential and the distribution of water fluxes and root resistance along the length of a maize root. For a root growing in sand, the rhizosphere resistance was 3.5 to 8 times the radial resistance of the root at average rhizosphere, potentials of –250 m bars. For a root growing in sandy loam such rhizosphere resistance was not achieved until the average rhizosphere potential is approximately –2 bars.Contribution from the Department of Soil Science and Plant Nutrition, University of Western Australia, Nedlands, Western Australia 6009.     

植物-微生物联合对环境有机污染物降解的研究进展

环境中有机污染物的过量积累对生态系统及人类健康造成严重威胁。近年来,许多学者研究发现植物-微生物联合作用对环境中有机污染物的去除及生态系统的修复具有非常显著的效果。本文主要从植物-内生菌、植物-菌根菌以及植物-根际微生物这三个层面详细阐述植物-微生物联合降解有机污染物的研究现状,分析植物-微生物在联合降解中的作用,揭示植物-微生物联合降解的机理。但就目前而言,植物-微生物联合降解有机污染物仍存在许多问题,植物-微生物联合降解有机污染物的机理及生态学效应仍不清楚。因此,还需要进一步探讨其潜在作用机制并加强应用实践,这将有助于污染生态系统的治理,促进环境可持续发展。     

Plant root research: the past, the present and the future

This special issue is dedicated to root biologists past and present who have been exploring all aspects of root structure and function with an extensive publication record going over 100 years. The content of the Special Issue on Root Biology covers a wide scale of contributions, spanning interactions of roots with microorganisms in the rhizosphere, the anatomy of root cells and tissues, the subcellular components of root cells, and aspects of metal accumulation and stresses on root function and structure. We have organized the papers into three topic categories: (1) root ecology, interactions with microbes, root architecture and the rhizosphere; (2) experimental root biology, root structure and physiology; and (3) applications of new technology to study root biology. Finally, we will speculate on root research for the future.