植物-土壤互作是地球表麵最基本的生物地球化學過程，在很大程度上，影響著土壤礦質養分從土壤流向植物、動物和人類營養鏈。根際是植物根係、土壤及微生物相互作用最活躍的界麵，與周圍環境緊密聯係形成了一個複雜的網絡，對強化農業生態係統功能、提高對環境脅迫的彈性和韌性，最終實現可持續作物生產至關重要。如何深入理解根際和植物-土壤係統的內在關係，工程化定向調控根際過程，服務於農業綠色轉型和可持續發展，仍麵臨重大挑戰。根際研究方法的進步促進了多學科交叉對根際過程的深入解析，使專注於單一過程、甚至單個分子的識別和表征成為可能。然而，目前有關根際動力學性質、級聯放大過程和係統功能的整合性創新思路與調控技術途徑仍較為缺乏，這大大限製了人們對根際理論與根際工程調控的認知，也影響了根際科學對可持續作物生產的貢獻。

　　近日，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在《植物科學發展趨勢》（Trends in Plant Science）發表了題為《用於可持續作物生產的根際工程：基於熵的見解》（Rhizosphere engineering for sustainable crop production: entropy-based insights）的觀點文章，對根際功能、動力學過程及其調控機製進行了係統剖析，提出了麵向可持續作物生產的根際科學研究中的關鍵問題和未來研究方向。

　　文章提出了基於熵的增強根際係統的自組織能力，通過定向調控根際過程，提升整個係統的組織化水平，減少對外部化學品投入的過度依賴，充分發揮係統內部互作增效潛力，實現係統的可持續發展。該觀點把熵和根際調控理論有機結合，從熵變角度闡釋植物-土壤係統（包括根際）的性質、過程和功能。根際可以維持或增強其結構和過程的局部秩序，從無序狀態過渡到有序狀態，強化根際的自組織能力和信息交流，最小化熵增，發揮根際生物學增效潛力。根際工程旨在創造一個與熵減方向匹配的新平衡狀態（圖1A）。為了探討農田生態係統中植物-土壤係統各組成部分之間的關係，將根際和不同係統功能聯係起來，按照根際特性將其從低級別係統到高級別係統進行層次化分，級聯放大效應闡釋了根際工程與農業生產之間的聯係（圖1B）。分析表明，利用最小化熵原理可定向設計根際工程，對於通過根際調控促進作物可持續生產具有重要作用。

圖1. 根際過程與熵的關聯模式圖。（A）植物-土壤係統的有序和無序過程。在農田生態係統中，通過局部養分供應對根際進行改造，可以使係統的熵增加趨於最小。（B）植物-土壤係統的層次。該方案將植物-土壤係統劃分為5個係統層次，其中根際係統包含Ⅰ-Ⅲ級。每個較高的層次整合了較低層次的結構和過程，根際工程被視為根際層次通過作物地下及地上部分連接到自然和農業景觀層次級聯放大的關鍵過程，從而提高作物生長和養分利用效率。

　　文章進一步強調基於局部養分調控的根際工程措施通過增強根係覓食性（root foraging），高效獲取土壤異質性養分，表現出顯著增效潛力。認識到：（i）養分富集斑塊中養分組成和梯度時空變化與作物根係生長的匹配，有利於增強根際的自組織能力；（ii）植物根係對局部土壤養分資源或鄰近根係的趨向性反映出植物對養分斑塊探索和高效捕獲資源的能力。基於根際工程調控和熵減原理，定向設計新的養分斑塊、強化生物相互作用和信息交換，使根際係統從初始狀態上升到組織化程度更高的新平衡狀態，實現集約化種植條件下作物綠色增產增效的係統功能。進一步的根際工程調控可螺旋式提升係統的組織化水平和功能（圖2）。提出未來的農作或農業可通過靶向性根際工程設計，最大化係統互作增效的生物學潛力，促進節肥增效、綠色可持續發展。

圖2. 基於熵最小化原理利用異質性（局部）養分調控的根際工程概念模型。局部養分供應使最初的植物-土壤係統（I，初始狀態）遠離平衡，然後係統（Ⅱ，異質性的過渡態）實現增強的自組織。這些過程包括調控優化的根形態和生理性狀、有效的根係-土壤-微生物信息交流等。在這些過程中熵進一步減小，並且土壤從異質性重新回到均勻性（Ⅲ，均勻的最終狀態）。同時，植物地上和地下部協同，貢獻於農業綠色發展（Ⅳ，調控後的新平衡狀態）。

　　申建波教授課題組張凱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重點項目、中國農業大學2115人才發展計劃張福鎖院士團隊、國家創新團隊項目資助。