植物-土壤相互作用教育部重点实验室 主要研究工作规划、设想　

　
植物-土壤相互作用教育部重点实验室 五年以后预期达到的目标、水平

　
1、主要研究工作规划与设想

本实验室研究从我国国情和农业生产实际出发，瞄准国际研究前沿，紧紧围绕提高作物水肥利用效率这个中心，充分发挥我国土壤、气候、种质资源和农业生产的优势，以作物-土壤互作系统为理论基础，进一步揭示作物对水、肥的高效利用和生理及分子机制; 从作物细胞、器官、个体和群体不同水平上探讨作物对水分养分胁迫的感应、信息传递和适应能力；以剖析作物-土壤系统动态过程为突破口，定量深入的研究作物—土壤互作的根际效应，土壤过程和水肥效应；探讨主要作物对水分养分资源利用效率的基因型差异机理、调控机制、遗传改良途径，以及农业技术创新对实现作物生长环境定向调控目标的可行性，在此研究过程中逐步建立作物-土壤互作系统新理论、新技术和新方法；通过此项研究，取得一批国际领先水平的基础研究成果，培养一支高素质和高水平的研究队伍。

今后拟将作物—土壤视为一个整合的统一系统，据此系统的构成和运作过程，设立作物、土壤、界面和整合四大方面的研究内容。

（1）、作物对土壤环境的响应机理

主要研究作物感受土壤渗透和养分胁迫的细胞与分子机理；作物体内胞间和长距离信息传递机制；土壤环境变化引起作物适应性生理反应的机制。

作物感受土壤渗透胁迫及养分胁迫的细胞与分子机理：建立抗渗透胁迫（水分、盐分胁迫）和耐养分亏缺胁迫（低钾、低磷、低铁等）的突变体材料系统；利用突变体与野生型比较研究植物感受、传递土壤逆境信号的细胞及分子机制：包括研究植物细胞感受逆境信号的细胞及分子机制、植物细胞内逆境信号物质的产生及运输机制、逆境信号物质的生理调节作用机制等。

土壤环境变化引起作物适应性生理反应的机制：围绕植物体内在渗透胁迫或养分亏缺胁迫条件下发生的主要生理生化活动的适应性变化（包括细胞内渗透调节物质合成代谢的变化、光合作用代谢途径的变化、逆境诱导的特异功能蛋白的合成及其调控作用等），主要研究：不同胁迫（不同种类或不同程度）可能导致的植物体内发生的共同适应性生理生化反应及其与植物抗逆性的关系，根系产生并传递的逆境信号物质对适应性生理生化反映的调控机制，以及利用突变体材料鉴定、分离对抗渗透胁迫和耐养分亏缺胁迫负责的主效基因及其生理功能。

（2）、作物—土壤互作的根际效应

主要研究根土界面的物理、化学和生物学过程对信号系统运转过程的影响，以及它们的互作机制和产生的效应；根系对水分、养分的吸收及调控机理。

根-土界面的物理、化学和生物学过程 ：重点研究根-土界面的水分、pH和Eh动态与信号系统的运转；根分泌物的化感作用、还原作用、配位溶解作用在信号系统调控中的作用；根系对土壤性质的反馈调节产生的根系分泌物或淀积物对土壤结构和容重的影响机理；

不同生态条件下植物的根际效应特征：重点研究我国主要作物根系接受水分、养分胁迫信号后的形态学和生理学适应特征；根分泌作用及其生态效应；不同植物根际养分和水分亏缺区的交叉重叠效应及其植物根系间的信号调控作用；间作植物根际养分和水分的增效作用及机理。

根系对水分、养分的吸收及调控机理：重点研究根系对土壤性质的反馈调节与水分、养分的吸收机理，体内信号对根细胞吸收水分和养分的调控。包括不同水分养分利用效率的植物根系在田间的时空分布及动态；根系对土壤养分的活化与吸收提高质外体水分传导机理；根际水分传导高阻力区对根系水分和养分吸收的影响；受植物水分胁迫信号控制的根系提水作用机理与养分有效性的空间错位矛盾机理；水稻旱育及旱栽秧促进根系生长增加土壤养分空间有效性的机理；节水高产栽培作物根系高效利用土壤有限水分和养分的机理。

根际生物与作物根系相互作用机理：重点研究根系与根际生物之间信号的相互感应与反馈调节。包括不同生态区及典型种植体系中重要作物根际生物的时空变化规律；根系特定分泌物对根际生物的影响；根际生物对作物根系形态、生理生化性质的反馈调节及其与水分、养分高效利用的关系；根际有益微生物的筛选及其遗传改良。

菌根在作物适应水分、养分胁迫中作用机理：重点研究不同生态条件下优势菌根菌的分布和适应特征；菌根菌与植物间的信号识别与传递；水分和养分胁迫条件下菌根菌对作物利用水分和养分的主导影响效应及对环境胁迫的信号感受与调控；菌根侵染对不同作物根际特征的影响及调控机理。

（3）、土壤过程与水肥效应

主要定量研究作物—土壤系统中物质和能量的动态变化，以及对其所产生的环境内信息的表达，即定量研究土壤水分、养分和微生物的动态过程及其在水肥调控中的作用。主要内容包括：

土壤水分和溶质运移的动力学： 以多孔介质运移的最新理论为指导，探讨建立田间复杂情况下土壤水分和溶质运移的确定性模型和随机模型；不同田间尺度下模型参数和结果转化的理论和方法；不同耕作措施下土壤水分和溶质运移的特征；建立我国主要土壤类型的土壤水分和溶质运移的参数库。

土壤养分动态转化极其有效性：以化学动力学基本理论为主线，系统研究各个过程的转化速率，并在接近田间自然状况下研究影响转化的条件及主要限制因子及调节途径；研究以统一的能态标准进行土壤中元素的形态分组的方法，以确定其热力学转化方向，探讨元素各种形态的能态和稳定性及其对作物的有效性之间的关系；根系吸收速率的定量化研究和影响因素。

土壤水分、养分耦合效应及其调控：不同水肥管理条件下，土壤水分运动和养分运移及转化的动态规律；不同耕作条件下土壤水分、养分的时空分布规律；不同生态类型区典型农田土壤水分、养分耦合迁移和转化及动态规律；土壤水分、养分迁移和转化的耦合的动力学模型；土壤水分、养分交互作用对作物水分、养分利用效率的影响及调控措施。

根际微生物特定种群的时空动态与作物水肥利用：根际微生物特定生理种群的时空变异规律；根际微生物生长调节性物质的合成和释放与根系的生长及其形态发育；根际微生物毒素的合成和释放对根际生物种群的影响；根际分泌物对病原生物的生长和定殖的影响；根际土壤中磷、钾、铁、锰的微生物转化及其植物有效性；污染土壤的根际微生物净化作用；有益生物在根际土壤的存活、迁移、定殖及其生态效应。

（4）、作物—土壤互作系统的原位研究和整合

作物—土壤系统的原位研究与测试方法的建立；土壤水分、溶质、气体、热运移与作物生长发育的耦合建模；虚拟土壤-植物相互作用及其信号系统的运行过程。

作物—土壤系统的原位研究与测试方法的建立 ：建立作物—土壤系统各主要因子原位测定方法；进行典型生态类型区田间作物-土壤系统的综合田间实验。

虚拟土壤--植物相互作用及其信号系统的运行过程：水分和养分胁迫条件下根/冠生长的三维模拟与可视化；研究建立虚拟典型农田环境的主要农作物生长的虚拟生长系统，主要农作物确定为小麦、玉米、棉花、水稻，环境条件考虑农田小气候(光、温)和农田土壤条件(土壤质地类型、土壤水肥状况)；在所建立的虚拟的作物—环境系统上对土壤--植物相互作用及其信号系统的运行过程进行模拟分析，并提出水肥调控的综合优化调控模式。

2、五年后预计达到的目标和水平

（1）总体目标

本实验室主要建设目标是通过实验室的研究工作，使学科整体水平保持在国内领先水平，并在土壤水、溶质运移、植物根际养分动态等方面的研究等方面达到国际先进水平，成为我国资源与环境学科高水平专业人才的重要基地，具有承担国家重大科研任务，进行重大国际合作研究的实力。以我国持续农业发展为目标，在区域中低产治理、节水农业、提高水分、养分资源利用效率、优化生态系统物质循环和保护环境方面作出应有的贡献。

（2）基础研究目标

在SCI国际科技期刊上发表论文100篇以上，出版专著10本。力争在以下几方面取得重大进展：

建立描述植物响应及适应土壤逆境胁迫的生理机理的理论模型;建立根际养分水分微域变化的原位测定方法与技术；筛选出几种养分水分高效利用的植物基因型；建立研究土壤环境条件的变化对根系生长（形态、功能）影响研究的定量方法；确定所要开展试验的典型生态类型区。明确主要作物感受土壤信号的细胞与分子机理，确立作物体内胞间和长距离信息传递的机制；阐明不同生态条件下根际生物的分布及消失规律；建立我国主要土壤类型的土壤水分和溶质运移的参数库。完成土壤水分、溶质、气体、热运动与作物生长发育的耦合建模；系统总结室内外的研究结果，提出作物—土壤信号系统的调控理论；进行作物—土壤互作系统与水肥效应的虚拟实验，系统阐明根际水分和养分的动态变化规律；提出达到水分养分高效利用的基本理论和综合优化调控模式。

（3）应用研究及产业化

发展和提出适合不同地区的高效、增收、优质、高产的节水农业模式，并在推广应用中有突破性的进展。在虚拟农田系统的应用方面，建立提取作物生长规则、确定环境因素对作物生长形态定量化作用关系数据获取与分析的方法、手段和技术规范，并开发相应的计算机软件VRP-Analysis 1.0；建立农田土壤水分、溶质（养分）、热运移及其与作物生长耦合模型系统CLSC1.0；提交虚拟农田系统开发平台VRCL 1.0软件；实现虚拟农田系统开发平台VRCL 1.0与GIS的联接，并开发出相应的软件系统VRCL-GIS1.0；筛选和创建5个营养高效作物基因型；研制系列根际水分和养分调空技术和产品。

（4）人才培养目标

继续加强研究队伍的建设，保持在国内的领先地位，五年内培养博士生150名，硕士生150名。