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JIA | 浙江大学环境与资源学院梁永超教授团队综述植物有益元素研究前景

已有 262 次阅读 2026-2-27 17:44 |个人分类:论文|系统分类:论文交流

维持作物最佳营养水平对实现高产稳产和增强抗逆能力至关重要。除17种必需营养元素外,还存在诸多植物有益元素:硅、铝、硒、钛、碘、钒、钴、钠及稀土元素等。这些元素并非对所有植物都是必需的,但某些元素对特定植物物种至关重要。然而,许多有益元素的作用机制尚未阐明,相关产品也未获广泛推广应用。有益元素的研究还有哪些突破方向?

近期,浙江大学环资学院梁永超教授团队完成的题为“Where is plant beneficial element research heading?”的综述在Journal of Integrative Agriculture(JIA)2026年3期正式发表。

文章总结了有益元素研究面临的挑战

首先,尽管诸多研究均证实有益元素在缓解植物多重逆境胁迫——如重金属毒害、盐胁迫、微塑料污染、有机污染物胁迫及病虫害胁迫等方面具有显著作用,但其作用机制往往与植物抗氧化酶、光合作用、水分与养分吸收、离子平衡、膜完整性、根系生长、根系分泌物及植物激素等多种因素相关。有益元素表现出的诸多生理效应,目前尚未与特定的分子通路建立明确的因果关联,不排除这些效应可能仅是植物其他生理过程发生改变所产生的次生效应。

其次,研究工作不仅需要研发有益元素相关创新产品与施用方法,还需对其技术可行性、成本效益及环境安全性开展系统评估。科研工作者还肩负着将研究成果转化为先进生产力的责任,应积极推动有益元素相关技术获得农户与政府的认可和推广应用。

最后,该领域研究亟需突破传统研究方法的局限,唯有融合其他学科的创新技术与研究理念,才能实现植物有益元素研究的重大突破。

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图1:有益元素的作用机制。有益元素和必需元素分别用银色和绿色圆圈表示。具体而言,硅形成了抵御生物和非生物胁迫的防御屏障;铝影响花的颜色和根的生长;硒促进活性氧的清除;钛缓解缺铁胁迫;碘导致碘化蛋白的形成;钒和钴增强微生物固氮作用;钠部分取代了钾的作用;一些稀土元素可以替代钙和镁的作用,消除活性氧,促进内吞作用。

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图2:营养液中有益元素的适宜范围。绿色、灰色和红色分别代表有益、耐受和有害的浓度范围。此外,该图显示了测试的植物种类、使用的元素形式和参考文献。Si、Al和Na的有益浓度在毫摩尔范围内,被定义为植物耐受型有益元素。Ti、V、Co、I和Se的有益浓度大多在微摩尔水平,被定义为植物敏感型有益元素。值得注意的是,许多例子包含两个或多个元素,这可能会影响判断。

文章创新性地提出未来研究的五大突破方向:①构建多学科交叉与创新技术融合研究体系;②拓展应用场景与元素种类多样性;③延伸研究的时空维度;④将有益元素纳入土壤健康评价体系;⑤从单一施用转向复合配施模式。建议未来研究应重点围绕"机理探索+应用创新"双轮驱动,以应对人口增长带来的粮食安全挑战、改善人类营养健康水平、破解生态环境治理难题、助力乡村经济振兴。

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图5:植物硅化和地球碳循环耦合的假设模型。图底部的反应方程式表示CO2与硅酸盐反应的过程。①大气中二氧化碳浓度的增加导致全球变暖。②温度的升高促进了高硅植物的出现和扩张。③高硅植物比低硅植物从土壤中吸收更多的H4SiO4,促进硅酸盐的风化。④硅酸盐风化释放的阳离子以碳酸盐的形式固定二氧化碳。⑤大气中二氧化碳浓度的降低降低了全球气温。

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图6:将有益元素纳入土壤健康评估体系。作者假设,土壤中有益元素实际有效浓度(ρ)和最佳浓度(c)之间的差异越大,土壤的健康状况就越差。因此,c2-(c-ρ)2的值越大,土越健康。将最佳浓度和实际浓度归一化为1和S后,得到基于有益元素的土壤健康综合指数(有益元素健康值)。较大的值表示土壤健康状况较好。此外,目前还没有关于高浓度硅(Si)有害影响的报道。因此,当ρSi大于cSi时,(cSi-ρSi)可视为0。

农业生产实践与科学研究的大量实证表明,有益元素对植物生长发育和抗逆性提升具有重要作用。本文建议,未来植物有益元素的研究应紧扣“机制解析+应用落地”的研究框架。一方面,需融合多学科研究方法、拓展时空尺度研究范畴,挖掘更多新型有益元素并阐明其作用机制;另一方面,应加快将有益元素纳入土壤健康评价体系,研发更多元素组合施用策略,创制环境友好、多功能、高性价比的有益元素相关产品,推动农户与政府认可并推广应用有益元素。

Cite the article:

Zhihao Pang, Nina Nikolic, Miloslav Nikolic, Alexander Lux, Yongchao Liang. 2026. Where is plant beneficial element research heading? Journal of Integrative Agriculture, 25(3): 829-846.

https://doi.org/10.1016/j.jia.2025.05.008

Journal of Integrative Agriculture (《农业科学学报(英文)》, JIA由中华人民共和国农业农村部主管,中国农业科学院与中国农学会主办,中国农业科学院农业信息研究所承办。综合性英文学术期刊,月刊。创刊于2002年,现任主编为中国科学院院士陈化兰。JIA主要栏目有作物科学、园艺、植物保护、动物科学、动物医学、农业生态环境、食品科学、农业经济与管理等。刊稿类型有综述、研究论文、简报以及评述等。全部论文在Elsevier-ScienceDirect (SD) 平台OA出版。最新SCI影响因子4.4,位于SCI-JCR农业综合学科Q1区。中国科学院分区农林科学1区。2016年以来先后获得中国科协等部委 “提升计划”“登峰计划”“卓越计划”项目支持



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