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　　植物-土(tu)壤(rang)(rang)互作(zuo)是地球表(biao)面最(zui)基(ji)本的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)物地球化(hua)(hua)學(xue)過程，在很大(da)程度上(shang)，影響(xiang)著土(tu)壤(rang)(rang)礦質養分從土(tu)壤(rang)(rang)流向植物、動物和(he)人類營養鏈。根(gen)(gen)際(ji)(ji)是植物根(gen)(gen)系(xi)、土(tu)壤(rang)(rang)及微生(sheng)物相互作(zuo)用最(zui)活躍(yue)的(de)(de)(de)(de)(de)界面，與(yu)周圍環(huan)境緊密聯(lian)系(xi)形成了一個(ge)復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)(de)網絡，對(dui)強化(hua)(hua)農業生(sheng)態系(xi)統功能(neng)、提高(gao)對(dui)環(huan)境脅迫的(de)(de)(de)(de)(de)彈性和(he)韌(ren)性，最(zui)終實現可(ke)(ke)(ke)持續作(zuo)物生(sheng)產(chan)(chan)至關(guan)重(zhong)要。如何深入(ru)理解根(gen)(gen)際(ji)(ji)和(he)植物-土(tu)壤(rang)(rang)系(xi)統的(de)(de)(de)(de)(de)內在關(guan)系(xi)，工程化(hua)(hua)定向調控根(gen)(gen)際(ji)(ji)過程，服務于(yu)農業綠色轉(zhuan)型和(he)可(ke)(ke)(ke)持續發展，仍面臨(lin)重(zhong)大(da)挑(tiao)戰。根(gen)(gen)際(ji)(ji)研究方(fang)法的(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)步促進(jin)了多學(xue)科交(jiao)叉對(dui)根(gen)(gen)際(ji)(ji)過程的(de)(de)(de)(de)(de)深入(ru)解析，使專注(zhu)于(yu)單一過程、甚至單個(ge)分子的(de)(de)(de)(de)(de)識別和(he)表(biao)征成為(wei)(wei)可(ke)(ke)(ke)能(neng)。然而(er)，目前有關(guan)根(gen)(gen)際(ji)(ji)動力學(xue)性質、級聯(lian)放大(da)過程和(he)系(xi)統功能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)整(zheng)合性創(chuang)新(xin)思路與(yu)調控技術途徑(jing)仍較為(wei)(wei)缺(que)乏(fa)，這大(da)大(da)限制了人們對(dui)根(gen)(gen)際(ji)(ji)理論與(yu)根(gen)(gen)際(ji)(ji)工程調控的(de)(de)(de)(de)(de)認知，也影響(xiang)了根(gen)(gen)際(ji)(ji)科學(xue)對(dui)可(ke)(ke)(ke)持續作(zuo)物生(sheng)產(chan)(chan)的(de)(de)(de)(de)(de)貢獻。

　　近日，中(zhong)國(guo)農業大學(xue)資源與環境學(xue)院、國(guo)家農業綠色發(fa)展研究院申建波教授課題(ti)(ti)組在《植物科學(xue)發(fa)展趨勢》（Trends in Plant Science）發(fa)表(biao)了(le)題(ti)(ti)為《用于(yu)可(ke)持續作物生(sheng)產的根(gen)際工程(cheng)：基于(yu)熵的見解》（Rhizosphere engineering for sustainable crop production: entropy-based insights）的觀點文(wen)章，對根(gen)際功能、動(dong)力學(xue)過(guo)程(cheng)及其調控機制進(jin)行了(le)系統剖(pou)析，提(ti)出了(le)面向(xiang)可(ke)持續作物生(sheng)產的根(gen)際科學(xue)研究中(zhong)的關鍵問題(ti)(ti)和未(wei)來研究方向(xiang)。

　　文章(zhang)提(ti)出了基于熵的(de)(de)(de)增(zeng)強(qiang)根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)自(zi)組(zu)(zu)織(zhi)能力(li)，通(tong)過(guo)(guo)定(ding)(ding)向調控根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)過(guo)(guo)程，提(ti)升整個(ge)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)組(zu)(zu)織(zhi)化水(shui)平，減(jian)少對外部化學品投入的(de)(de)(de)過(guo)(guo)度(du)依賴，充分發(fa)揮系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)內部互作增(zeng)效潛力(li)，實現(xian)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)可(ke)持(chi)續發(fa)展。該觀點把熵和(he)根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)調控理論有(you)機結合，從熵變(bian)角度(du)闡釋植物(wu)-土壤(rang)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)（包括根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)）的(de)(de)(de)性(xing)質、過(guo)(guo)程和(he)功能。根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)可(ke)以維持(chi)或增(zeng)強(qiang)其結構和(he)過(guo)(guo)程的(de)(de)(de)局部秩序，從無(wu)序狀態(tai)過(guo)(guo)渡到有(you)序狀態(tai)，強(qiang)化根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)自(zi)組(zu)(zu)織(zhi)能力(li)和(he)信息交流，最(zui)小化熵增(zeng)，發(fa)揮根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)生(sheng)(sheng)物(wu)學增(zeng)效潛力(li)。根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)工(gong)程旨在創造(zao)一個(ge)與(yu)熵減(jian)方向匹配的(de)(de)(de)新(xin)平衡狀態(tai)（圖(tu)1A）。為了探(tan)討農(nong)田生(sheng)(sheng)態(tai)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)中(zhong)植物(wu)-土壤(rang)系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)各組(zu)(zu)成部分之(zhi)間的(de)(de)(de)關系(xi)(xi)(xi)(xi)，將根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)不同系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)功能聯系(xi)(xi)(xi)(xi)起來，按(an)照根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)特性(xing)將其從低級別系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)到高級別系(xi)(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)進行層次化分，級聯放大效應闡釋了根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)工(gong)程與(yu)農(nong)業生(sheng)(sheng)產之(zhi)間的(de)(de)(de)聯系(xi)(xi)(xi)(xi)（圖(tu)1B）。分析表明，利用最(zui)小化熵原理可(ke)定(ding)(ding)向設計(ji)根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)工(gong)程，對于通(tong)過(guo)(guo)根(gen)(gen)(gen)(gen)際(ji)(ji)(ji)(ji)調控促進作物(wu)可(ke)持(chi)續生(sheng)(sheng)產具有(you)重要作用。

圖1. 根(gen)(gen)際(ji)過程(cheng)(cheng)與熵的(de)關聯(lian)模式圖。（A）植物(wu)-土壤系(xi)統(tong)(tong)的(de)有序和(he)無(wu)序過程(cheng)(cheng)。在農田生(sheng)態系(xi)統(tong)(tong)中，通過局(ju)部養分(fen)供應對根(gen)(gen)際(ji)進行改造，可以使系(xi)統(tong)(tong)的(de)熵增加趨于最小(xiao)。（B）植物(wu)-土壤系(xi)統(tong)(tong)的(de)層次(ci)(ci)。該方案將植物(wu)-土壤系(xi)統(tong)(tong)劃分(fen)為5個(ge)系(xi)統(tong)(tong)層次(ci)(ci)，其中根(gen)(gen)際(ji)系(xi)統(tong)(tong)包(bao)含Ⅰ-Ⅲ級。每個(ge)較(jiao)高(gao)的(de)層次(ci)(ci)整合了較(jiao)低(di)層次(ci)(ci)的(de)結(jie)構和(he)過程(cheng)(cheng)，根(gen)(gen)際(ji)工程(cheng)(cheng)被視為根(gen)(gen)際(ji)層次(ci)(ci)通過作物(wu)地(di)下及地(di)上部分(fen)連接到自然和(he)農業景觀層次(ci)(ci)級聯(lian)放(fang)大的(de)關鍵過程(cheng)(cheng)，從而提高(gao)作物(wu)生(sheng)長和(he)養分(fen)利(li)用(yong)效率。

　　文章進一步強(qiang)(qiang)調(diao)基(ji)于局(ju)部養(yang)(yang)分(fen)調(diao)控的根(gen)際(ji)(ji)工(gong)(gong)程措施(shi)通(tong)過增強(qiang)(qiang)根(gen)系(xi)(xi)覓食性(xing)（root foraging），高(gao)效(xiao)(xiao)獲取土壤異(yi)質(zhi)性(xing)養(yang)(yang)分(fen)，表現出(chu)顯著增效(xiao)(xiao)潛力(li)(li)。認(ren)識到：（i）養(yang)(yang)分(fen)富(fu)集(ji)斑(ban)塊(kuai)中養(yang)(yang)分(fen)組成(cheng)和梯度(du)時空變化(hua)(hua)與作(zuo)(zuo)物(wu)根(gen)系(xi)(xi)生(sheng)長(chang)的匹配，有利于增強(qiang)(qiang)根(gen)際(ji)(ji)的自組織(zhi)能(neng)力(li)(li)；（ii）植物(wu)根(gen)系(xi)(xi)對(dui)局(ju)部土壤養(yang)(yang)分(fen)資源(yuan)(yuan)或(huo)鄰近根(gen)系(xi)(xi)的趨向性(xing)反(fan)映出(chu)植物(wu)對(dui)養(yang)(yang)分(fen)斑(ban)塊(kuai)探(tan)索和高(gao)效(xiao)(xiao)捕獲資源(yuan)(yuan)的能(neng)力(li)(li)。基(ji)于根(gen)際(ji)(ji)工(gong)(gong)程調(diao)控和熵減原理(li)，定向設計新的養(yang)(yang)分(fen)斑(ban)塊(kuai)、強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)生(sheng)物(wu)相互(hu)作(zuo)(zuo)用和信(xin)息交換，使(shi)根(gen)際(ji)(ji)系(xi)(xi)統(tong)從初始狀態上升(sheng)(sheng)到組織(zhi)化(hua)(hua)程度(du)更高(gao)的新平衡狀態，實現集(ji)約化(hua)(hua)種植條件下作(zuo)(zuo)物(wu)綠色增產(chan)增效(xiao)(xiao)的系(xi)(xi)統(tong)功能(neng)。進一步的根(gen)際(ji)(ji)工(gong)(gong)程調(diao)控可螺(luo)旋(xuan)式(shi)提升(sheng)(sheng)系(xi)(xi)統(tong)的組織(zhi)化(hua)(hua)水平和功能(neng)（圖2）。提出(chu)未來的農(nong)作(zuo)(zuo)或(huo)農(nong)業可通(tong)過靶向性(xing)根(gen)際(ji)(ji)工(gong)(gong)程設計，最大化(hua)(hua)系(xi)(xi)統(tong)互(hu)作(zuo)(zuo)增效(xiao)(xiao)的生(sheng)物(wu)學潛力(li)(li)，促進節肥增效(xiao)(xiao)、綠色可持續發展。

圖2. 基于熵最(zui)小化原理利用(yong)異質(zhi)性(xing)（局部(bu)(bu)(bu)）養(yang)(yang)分調(diao)控(kong)的根際(ji)工程(cheng)概念模型。局部(bu)(bu)(bu)養(yang)(yang)分供應(ying)使最(zui)初的植物-土(tu)(tu)壤系(xi)統（I，初始(shi)狀(zhuang)態）遠離平衡(heng)，然后系(xi)統（Ⅱ，異質(zhi)性(xing)的過渡態）實現增強(qiang)的自組織。這(zhe)些(xie)過程(cheng)包括(kuo)調(diao)控(kong)優化的根形(xing)態和生(sheng)理性(xing)狀(zhuang)、有效的根系(xi)-土(tu)(tu)壤-微生(sheng)物信(xin)息交流等。在這(zhe)些(xie)過程(cheng)中熵進一步(bu)減(jian)小，并且土(tu)(tu)壤從(cong)異質(zhi)性(xing)重新回到均(jun)勻性(xing)（Ⅲ，均(jun)勻的最(zui)終狀(zhuang)態）。同時，植物地上和地下部(bu)(bu)(bu)協同，貢獻于農業綠色發展(zhan)（Ⅳ，調(diao)控(kong)后的新平衡(heng)狀(zhuang)態）。

　　申(shen)(shen)建波教(jiao)授課(ke)題組(zu)張凱博士(shi)為該論(lun)文第一作者(zhe)，申(shen)(shen)建波教(jiao)授為通訊作者(zhe)。本項(xiang)(xiang)工作得到國(guo)(guo)家自(zi)然科學(xue)基(ji)金(jin)重點項(xiang)(xiang)目、中(zhong)國(guo)(guo)農業大學(xue)2115人才(cai)發(fa)展計(ji)劃張福鎖(suo)院士(shi)團隊、國(guo)(guo)家創新團隊項(xiang)(xiang)目資(zi)助。