根際微生境中生化過程的原位可視化研究進(jìn)展

摘要： 根際及近根際區(qū)域（根際微生境） 進(jìn)行著活躍的物質(zhì)交換和能量流動(dòng)，大部分陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳、氧和礦質(zhì)元素等關(guān)鍵生源要素循環(huán)的生化過程都發(fā)生在根際微生境中。根際微生境空間動(dòng)態(tài)過程的可視化對(duì)于準(zhǔn)確捕捉和量化根際界面物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程和功能至關(guān)重要。過去幾十年中，采用二維成像方法進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)元素、酶和微生物等多種生化過程的同步原位可視化研究取得了重要進(jìn)展。本文系統(tǒng)總結(jié)了根際化學(xué)環(huán)境、微生物環(huán)境和代謝物原位可視化研究的最新方法與研究進(jìn)展，討論了多參數(shù)成像技術(shù)在根際微生境研究中的應(yīng)用前景，并對(duì)根際生化過程原位可視化研究的未來發(fā)展方向及亟待解決的問題進(jìn)行了展望。為進(jìn)一步提高根際原位可視化技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，深入解析微生境中生化過程與機(jī)制，需要在以下幾方面重點(diǎn)展開研究：1）開展操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)少、成本低的可視化技術(shù)開發(fā)，并進(jìn)行多參數(shù)及多手段耦合的兼容性驗(yàn)證；2）從樣品制備和數(shù)據(jù)整合等方面，開發(fā)根際三維及四維可視化方法，探索根際微生境的時(shí)空動(dòng)態(tài)可視化；3）研發(fā)便攜式儀器，開展根際原位可視化技術(shù)的田間應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 根際微生境； 多參數(shù)成像技術(shù)； 原位可視化

植物?土壤相互作用是地球關(guān)鍵帶中最重要的生物與環(huán)境互作過程之一，根際是植物?土壤?微生物互作的核心界面，決定著自然生態(tài)系統(tǒng)的多功能性和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性和生產(chǎn)力[1?2]。自Hiltner提出“根際”的概念之后，其被廣泛應(yīng)用于土壤學(xué)、植物學(xué)和微生物學(xué)等學(xué)科研究中。根際中進(jìn)行著活躍的物質(zhì)交換和能量流動(dòng)，直接影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵要素如碳、氧和礦質(zhì)元素的循環(huán)，而大部分生化過程實(shí)際上都發(fā)生在根際微區(qū)中。根際微生境下，根系、土壤、根系分泌物和生物體之間強(qiáng)烈的相互作用驅(qū)動(dòng)了根際生物化學(xué)過程[3?5]。

隨著多組學(xué)技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)的迅猛發(fā)展，學(xué)界在元素生物地球化學(xué)循環(huán)、根際代謝物介導(dǎo)的植物?微生物互作和微生物群落組裝模式等根際生化過程研究方面取得了顯著成果[6?8]。然而，受限于原位可視化技術(shù)，根際微生境的多種生物化學(xué)過程很大程度上仍處于“黑箱”狀態(tài)。與破壞性方法相比，可視化技術(shù)得到的根際范圍準(zhǔn)確性可提高3～5 倍[9]。因此，根際微域空間動(dòng)態(tài)過程的可視化對(duì)于捕捉和量化根際界面物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程和功能至關(guān)重要[9]。由于根際多組分的復(fù)雜性，為了實(shí)現(xiàn)不同生化參數(shù)的可視化，需要開發(fā)基于多尺度（亞微米～厘米） 的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)[4]。然而，由于各方面條件的限制，目前大多數(shù)根際可視化研究都在半人工實(shí)驗(yàn)裝置中模擬田間條件，而對(duì)根際微生境生化過程的可視化研究仍處于起步階段[4]?？梢姡壳皩?duì)根際的實(shí)際情況特別是根?土界面的多要素空間分布特征只有模糊的了解，在根際微區(qū)可視化方面研究仍存在巨大挑戰(zhàn)。

過去十年，前人已從不同方面回顧了根際微生境相關(guān)研究進(jìn)展。例如，Oburger 等[4]系統(tǒng)綜述了根系分泌物的收集、植物?微生物互作及根際過程可視化的最新方法與技術(shù)。Védère 等[10]總結(jié)了土壤微生境中微生物及其活動(dòng)的成像方法。近期，Li 等[11]重點(diǎn)綜述了土壤/沉積物研究中常用的微尺度采樣和二維成像方法，歸納了其研究進(jìn)展和應(yīng)用成果，并從研發(fā)方向和應(yīng)用領(lǐng)域等方面對(duì)土壤、沉積物微尺度研究技術(shù)進(jìn)行了展望。然而，已有的研究主要從總結(jié)單一技術(shù)的特性角度出發(fā)，針對(duì)根際特定生化過程的可視化方法研究進(jìn)展尚缺乏系統(tǒng)性的總結(jié)。此外，依賴于斷層掃描技術(shù)，根系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和水力特性可視化已被廣泛揭示[12]，而根際化學(xué)環(huán)境、微生物環(huán)境和根際代謝物等核心生物化學(xué)過程原位可視化的研究進(jìn)展鮮有關(guān)注。因此，本文在強(qiáng)調(diào)根際微生境的范圍與特性的基礎(chǔ)上，旨在總結(jié)近年來在根際微生境生化過程非破壞性成像方向的進(jìn)展，簡(jiǎn)要?dú)w納了不同生化參數(shù)的主流成像技術(shù)及優(yōu)勢(shì)、存在的問題，最后展望了根際微生境原位可視化的未來努力方向，以期為根際過程研究提供參考。

1 根際微生境的范圍與功能

土壤中生物化學(xué)過程主要發(fā)生在根際微域，且會(huì)被周圍巨大的土體“稀釋”，這使得根際成為土壤乃至陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的熱點(diǎn)區(qū)域[9]?！案H”通常指受植物根系影響的土壤，也可擴(kuò)展為根?土界面，細(xì)分為外根際（ectorhizosphere）、根表（rhizoplane）和內(nèi)根際（endorhizosphere） 3 個(gè)微生境[4， 13]。與內(nèi)根際相比，外根際和根表微生境直接與土壤接觸，且由于受到根系的影響，其生物化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)高度的異質(zhì)性和復(fù)雜性。此外，根際微生境存在以下特點(diǎn)：1） 根際的隱蔽性；2） 常規(guī)破壞式采樣方法易造成界面間功能和空間聯(lián)系消失；3） 根際邊界范圍和形狀不清晰；4） 不同生化參數(shù)的變化方式迥異；5） 時(shí)空波動(dòng)造成難以捕捉根際瞬時(shí)狀態(tài)[14?15]。上述特性致使獲取根際微生境不同生化參數(shù)的準(zhǔn)確范圍困難重重。

Kuzyakov 等[9]根據(jù)已有文獻(xiàn)，梳理了部分根際生化過程參數(shù)的邊界范圍和變化特征。其中，微量營(yíng)養(yǎng)元素和重金屬的活動(dòng)范圍最小，通常為0.5～1 mm，呈現(xiàn)出從外根際向根表遷移并逐漸耗竭的現(xiàn)象，這是由于部分元素向根表的擴(kuò)散速率低于根系吸收速率所致[16]。土壤酶分子量較大，造成難以擴(kuò)散，因此其活性的根際范圍約為1～3 mm，呈現(xiàn)由根表向外根際活性減弱的趨勢(shì)[17]。同位素成像發(fā)現(xiàn)，根系分泌物的根際范圍僅為2～3 mm[18]。Ca2+、Mg2+、NH4+及PO43?等養(yǎng)分和pH 的根際范圍為2～4 mm[19]。只有部分參數(shù)的根際范圍gt;4 mm，如O2、CO2、水和微生物，其中CO2 可擴(kuò)散至距根表12 mm，這是由于根和根際微生物的呼吸作用造成的[20]。值得注意的是，微生物的根際范圍是根系分泌物的2 倍?？梢?，微生物可捕獲部分根系分泌物，根際對(duì)微生物的影響大于根系分泌物所能擴(kuò)散的距離[9]。由上述研究可知，根際各個(gè)生化參數(shù)并非獨(dú)立存在，而是處于劇烈的相互作用中（圖1）。正因如此，精細(xì)刻畫不同參數(shù)的準(zhǔn)確范圍，實(shí)現(xiàn)根際微生境生化過程的原位可視化尤為迫切。

2 原位可視化在根際生化過程中的應(yīng)用

2.1 根際化學(xué)環(huán)境可視化

2.1.1 pH、O2 和CO2

pH、O2 和CO2 是影響根際生化過程及其功能的關(guān)鍵要素。早在20 世紀(jì)80 年代，有學(xué)者就進(jìn)行了根際pH 值可視化的探索，將含有溴甲酚紫（pH 4.5～7.5） 或溴甲酚綠（pH 3.8～5.4）染料的瓊脂粘附在根箱可拆卸側(cè)的根土界面上，通過熒光激發(fā)、相機(jī)拍攝研究根際pH 的微區(qū)分布特征[21?22]。在此之后，基于熒光化學(xué)光學(xué)感應(yīng)膜整合成像技術(shù)快速發(fā)展，成像對(duì)象逐漸擴(kuò)展到O2、CO2、H2S、Fe2+、Mn2+、NH4+和溫度等參數(shù)[23?26]。近年來，模塊化成像系統(tǒng) （VisiSens，PreSens Precision SensingGmbH，德國(guó)）[20]和平面光極分析儀 [Easysensor PO2100/1100，中科智感（南京） 環(huán)境科技有限公司][26]等商業(yè)化產(chǎn)品的出現(xiàn)，使得根際pH 值的可視化更加便捷高效。此外，依托于平面光極技術(shù)（PO），利用不同熒光化學(xué)光學(xué)感應(yīng)膜實(shí)現(xiàn)了pH、O2 和CO2 等參數(shù)的同步定量可視化研究[27]。上述手段可通過在室內(nèi)模擬及田間試驗(yàn)構(gòu)建根土界面，測(cè)定pH、O2 和CO2 等參數(shù)在根際微域的時(shí)空分布特征，從而揭示根際微生境酸化、泌氧及CO2 排放等生物化學(xué)過程與功能，具有原位非破壞、實(shí)時(shí)性、高分辨率及用戶友好的特性[26]。

2.1.2 礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素

礦質(zhì)元素的根際空間分布特征表征目前主要采用薄膜擴(kuò)散梯度（DGT）。該技術(shù)最初主要用于水體污染物和微量元素的有效性測(cè)定[28]，近年來被廣泛應(yīng)用于土壤養(yǎng)分和污染物的生物有效性評(píng)價(jià)[11， 29?31]。DGT 主要由濾膜、擴(kuò)散層和固定層組成，通過模擬根系吸收并耦合激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（LA-ICP-MS） 獲取元素的二維空間分布[32]。利用這一技術(shù)，可獲取包括鐵（Fe）、鈣（Ca）、銅（Cu）、錳（Mn）、鋅（Zn）、鉬（Mo）、鎂（Mg）、鉀（K）、硫（S） 和磷（P） 等大部分礦質(zhì)元素的根際空間分布特征[29]。例如，有研究利用DGT 成像，發(fā)現(xiàn)部分植物根表表現(xiàn)出P 耗竭特征，據(jù)此證實(shí)根系表面吸收P 速率高于P 從土壤向根表的擴(kuò)散速率[19， 30， 33]。此外，利用納米二次離子質(zhì)譜技術(shù)（NanoSIMS） 亦可高分辨率繪制部分礦質(zhì)元素（如P、Si、S、Fe 等） 的根際空間分布圖，可在亞微米尺度上揭示植物?礦質(zhì)元素?微生物的根際互作機(jī)理[4]。

2.1.3 污染物

與礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素類似，重金屬等污染物的根際二維分布特征表征亦主要采用DGT 開展。Kreuzeder 等[34]首次采用DGT 同時(shí)得到了根際陽離子（Cu、Mn 和Zn） 和陰離子[P 和砷（As）] 的高分辨空間分布圖像?；贒GT 元素分布表征和通量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)水稻根尖O2 富集與酸化是造成根際土壤As、鉛（Pb） 和Fe （Ⅱ） 活化的重要原因[35]。類似的，銻（Sb， Ⅲ） 在水稻根際沿根軸及根尖區(qū)域呈明顯活化過程，且峰值出現(xiàn)在根表區(qū)域[36]。相反的，Smolders等[37]首次發(fā)現(xiàn)鎘（Cd） 在玉米根際呈現(xiàn)耗竭現(xiàn)象，這主要是由于Cd 的吸收受擴(kuò)散控制所致。鎳（Ni） 超富集植物Odontarrhena serpyliffolia 和非富集植物Holcus lanatus 根際均顯示Ni 耗竭現(xiàn)象，但富集型植物耗竭區(qū)范圍為非富集型的4 倍[38]。Corzo 等[39]利用同步輻射微X 射線熒光光譜和X 射線吸收近邊緣結(jié)構(gòu)成像技術(shù)，研究了As 在甘藍(lán)蕨和蜈蚣草根際?根界面的原位分布，發(fā)現(xiàn)As 可從富砷土壤中的根系向?qū)φ胀寥乐械母颠w移。

對(duì)于有機(jī)污染物而言，由于缺乏有效吸附有機(jī)污染物的膜材料，其根際空間分布至今仍未見報(bào)道，僅有少量研究發(fā)現(xiàn)了新興有機(jī)污染物在植物根系內(nèi)的分布特征。譬如，Wang 等[40]利用解吸電噴霧電離質(zhì)譜（DESI-MS） 發(fā)現(xiàn)，全氟辛烷磺酸（PFOS） 和全氟辛酸（PFOA） 在美人蕉和再力花、風(fēng)車草及蘆葦根的表皮、皮層和維管束中有分布。近期，Chen 等[41]發(fā)現(xiàn)，全氟聚醚類（HFPO） 替代物和PFOA 主要累積在生菜根的表皮細(xì)胞和皮層中，而且在皮層中的含量遠(yuǎn)高于相鄰表皮細(xì)胞。隨著吸附膜材料研發(fā)的進(jìn)步，有機(jī)污染物的根際空間分布將被逐步揭示。

2.2 根際微生物環(huán)境可視化

可視化對(duì)于深入揭示微生物與土壤?植物根際互作至關(guān)重要。早期的切片?體式顯微鏡方法存在難以區(qū)分目標(biāo)微生物的缺陷[42]。熒光染料與表觀熒光顯微鏡的結(jié)合，可以從背景中區(qū)分目標(biāo)微生物體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)細(xì)菌和真菌的空間定位和量化。與之相比，掃描和透射電子顯微鏡（SEM 和TEM） 的分辨率（0.5～1 nm） 要高得多，但所需的土壤固定、脫水、包埋和切片等步驟繁瑣[10， 43]。近年來，熒光原位雜交（FISH）、納米二次離子質(zhì)譜技術(shù)（NanoSIMS）[ 4 4 ]和FISH-NanoSIMS 等技術(shù)逐漸應(yīng)用到微生物可視化研究中。近期，Cao 等[45]開發(fā)了一種可容錯(cuò)編碼的序貫熒光原位雜交（SEER-FISH） 技術(shù)，該方法可識(shí)別復(fù)雜群落中的不同微生物物種，在單細(xì)胞尺度上原位解析微生物物種之間以及微生物?宿主之間的相互作用。然而，現(xiàn)有研究主要采用室內(nèi)培養(yǎng)基條件，微生物的根際原位可視化仍鮮有報(bào)道。此外，微生物可視化方法需要使用的部分儀器（如NanoSIMS）可用性較差，這限制了微生物可視化方法的進(jìn)一步開發(fā)。

2.3 根際代謝物可視化

2.3.1 根系分泌物

根系分泌物能夠改變根際土壤理化性質(zhì)，是造成根際土和非根際土之間根本區(qū)別的主要原因[46]。根系分泌物的原位高分辨率成像方法開發(fā)尤其艱難，這是由于根系分泌物組成復(fù)雜，根際生物與非生物因子交織所致。大多數(shù)根系分泌物的采集方法為破壞式，且不同采樣方法結(jié)果差異較大[14?15， 47]，無法提供樣品中目標(biāo)分析物的準(zhǔn)確空間分布。目前為止，根系分泌物的成像仍主要依賴于同位素標(biāo)記[48?49]，但其效果受多種因素影響，如根中1 4C 活性、根半徑、根表到成像屏幕的距離、土壤中根系分泌物的數(shù)量等因素強(qiáng)烈影響成像信號(hào)的分布[50]。最為關(guān)鍵的是，同位素成像至今無法獲得某一特定根系分泌物的根際空間分布特征，這極大地限制其廣泛應(yīng)用。

近年來，針對(duì)根系分泌物可視化研究的探索并未停止。Hoang 等[51]采用優(yōu)化的熒光顯色法獲得了根際葡萄糖的分布圖像，也有研究利用基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜（MALDI-MS） 獲得地錢蘋果酸分泌物的空間分布[52]，但上述研究采用的人工基質(zhì)與實(shí)際的根?土界面相差甚遠(yuǎn)。Tiziani 等[53]采用DGT-氫氧化鋯結(jié)合凝膠，結(jié)合離子色譜表征了白羽扇豆根系分泌物檸檬酸的原位空間分布，但該方法過程較為復(fù)雜、容易交叉污染，分辨率較低。Veli?kovi?等[54]首次利用疏水性聚偏二氟乙烯（PVDF） 蛋白印跡膜和MALDI-MS 對(duì)根際代謝物進(jìn)行了原位空間分布研究，發(fā)現(xiàn)了不同代謝物的空間分布特征。近期，Liu等[55]利用親水性PVDF 膜耦合DESI-MS 分析，實(shí)現(xiàn)了根系分泌物的原位定量成像，具有操作簡(jiǎn)單、分辨率高、干擾少等特點(diǎn)。盡管已有方法仍存在分辨率低的局限性，但這無疑為根系分泌物的可視化帶來了新的思路。上述方法與平面光極、原位酶譜等技術(shù)的耦合有望實(shí)現(xiàn)根系分泌物、礦質(zhì)元素、pH、O2 和CO2 的同步空間可視化。

2.3.2 微生物代謝物

微生物代謝物的可視化可為重要生物活性分子的發(fā)現(xiàn)、微生物菌落的代謝交流等過程提供直觀證據(jù)[56]。有學(xué)者耦合熒光原位雜交（FISH） 顯微鏡技術(shù)和高分辨率大氣壓基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜技術(shù)，在同一組織切片上獲得了宿主和共生體代謝物的空間分布[57?58]，實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞水平的空間代謝組學(xué)檢測(cè)。此外，二次離子質(zhì)譜（SIMS）亦被報(bào)道可用于單細(xì)胞水平下的微生物代謝物可視化[57]?？梢?，質(zhì)譜成像已成為發(fā)現(xiàn)微生物重要代謝物的重要平臺(tái)。不僅如此，微生物之間的化學(xué)對(duì)話亦獲得可視化。通過質(zhì)譜成像技術(shù)，Moree 等[59]觀察到銅綠假單胞菌的吩嗪代謝物可被煙曲霉轉(zhuǎn)化，造成毒性增強(qiáng)并誘導(dǎo)真菌產(chǎn)生鐵載體。然而，上述有關(guān)微生物代謝物的可視化研究均基于培養(yǎng)基培養(yǎng)，原位根際土壤中微生物代謝物的空間分布特征仍鮮有報(bào)道。近期，有方法原位可視化獲得了根際代謝物的空間分布，目標(biāo)代謝物從小分子擴(kuò)展到高分子量代謝物[54?55]，但無法將根系分泌物和微生物代謝物區(qū)分開來。未來借助上述手段的改進(jìn)，有望實(shí)現(xiàn)土壤微生物代謝物的原位高分辨可視化。

2.3.3 酶活性

根際酶活性的可視化目前主要依賴于原位酶譜技術(shù)。將含有特異性熒光標(biāo)記底物吸附膜貼附在根土界面表面，底物與土壤酶反應(yīng)生成的熒光產(chǎn)物信號(hào)可轉(zhuǎn)換為酶活性及其空間分布信息[48， 60?61]。原位酶譜技術(shù)在十年間發(fā)展迅猛，目前主要應(yīng)用于土壤C、N、P 和S 循環(huán)相關(guān)的水解酶和氧化酶[17]。借助其非損傷、原位的特點(diǎn)和空間分辨率較高的優(yōu)勢(shì)，原位酶譜技術(shù)克服了傳統(tǒng)土壤酶學(xué)技術(shù)的不足，為揭示土壤微觀生態(tài)過程及土壤?根系?微生物相互作用的微生境過程提供了直觀的證據(jù)[60]。已有數(shù)篇文獻(xiàn)綜述了原位酶譜的特點(diǎn)與應(yīng)用前景[17， 60， 62]。然而，原位酶譜尚缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)程，仍存在操作方法混亂和應(yīng)用范圍較窄等問題[60]。

3 原位可視化多手段的耦合

多參數(shù)的同步原位可視化是解析根際生化過程的必由之路。近年來，原位可視化多手段的耦合逐漸引起學(xué)界的廣泛關(guān)注，并在土壤學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等多學(xué)科領(lǐng)域取得重要進(jìn)展（表1）。Wei 等[49]聯(lián)合平面光極、酶譜和14C 成像進(jìn)行pH、酶活性和根系分泌物3 種生化參數(shù)的同步可視化分析，量化并定位了水稻根表鐵膜對(duì)根際微氧區(qū)域有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定的貢獻(xiàn)，進(jìn)而評(píng)估了其對(duì)水稻土全球碳固存的作用。Liu 等[ 5 5 ]將DGT-LA-ICP-MS 與DESIMS成像分析相結(jié)合，表明DGT 與DESI 成像分析相結(jié)合在技術(shù)上是可行的，可以亞毫米分辨率同步定量測(cè)定元素和根系分泌物的根際空間分布。Li 等[29]利用平面光極（PO） 和薄膜擴(kuò)散梯度（DGT） 等高分辨采樣和分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)苦草根系泌氧和根際酸化改變了沉積物中微量金屬的生物有效性，對(duì)Fe、As、Co 等元素的生物有效性起到抑制作用，而對(duì)Mn、Ni、Sb 和Cu 的生物有效性起到促進(jìn)作用。由此可見，原位可視化多手段的耦合可在微觀尺度上提高現(xiàn)有根際多參數(shù)的范圍準(zhǔn)確度。然而，目前的研究?jī)H限于同步觀測(cè)2～3 個(gè)生化過程指標(biāo)，多參數(shù)的根際可視化亟需開展多手段的耦合。

多手段聯(lián)用所面臨的限制因子，是雙方或多方的結(jié)合是否相互影響以及方法的兼容性如何。譬如，Hummel 等[30]通過DGT 與原位酶譜聯(lián)用，發(fā)現(xiàn)狹葉羽扇豆根際存在磷損耗與磷酸酶富集現(xiàn)象。然而，原位酶譜所需的4-甲基傘形酮酰磷酸酯中含有微量磷，這可能影響DGT 測(cè)定磷的準(zhǔn)確性，因此建議DGT 取樣應(yīng)先于酶譜分析，從而減小二者的相互影響。Védère 等[10]建議，在進(jìn)行多種手段耦合時(shí)，首先進(jìn)行不需要特定準(zhǔn)備的方法（如X 射線或斷層掃描），其次是平面探針或凝膠法（如酶譜或平面光極），然后是需要制備薄片的方法，最后是對(duì)物體表面造成不可逆地?fù)p壞的方法（如SEM、LA-ICP-MS）。因此，在進(jìn)行多種方法聯(lián)用時(shí)，有必要針對(duì)特定方法的樣品制備需求，選定多手段聯(lián)用的測(cè)試程序，從而最大限度減少方法間的相互影響，提高方法間的兼容性，以利于方法的推廣。

4 展望

獲取根際微生境生化過程的原位可視化證據(jù)，可促進(jìn)我們對(duì)土壤熱點(diǎn)區(qū)域發(fā)生的物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量流動(dòng)的深入理解，有助于填補(bǔ)土壤“黑箱”的諸多研究空白。盡管近年來在根際過程的成像上取得了較多的重要進(jìn)展（圖2），然而在根際時(shí)空動(dòng)態(tài)可視化、多參數(shù)成像技術(shù)及可視化的田間應(yīng)用等方面仍然存在較多的不足，未來需從以下3 個(gè)方面展開更深入的研究：

1） 根際微生境多參數(shù)的同步可視化。在根際中，多種生化過程往往同時(shí)發(fā)生，且在空間上具有重疊特征。例如，缺磷脅迫下，植物根際pH、有效磷、根系分泌物、磷酸酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)均發(fā)生響應(yīng)，但上述多種參數(shù)的同步空間分布特征仍不清晰。已有關(guān)于根際可視化的研究大多僅觀測(cè)2～3 個(gè)生化過程參數(shù)，亟需開展多手段的耦合，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的根際可視化。因此，技術(shù)開發(fā)仍然是多參數(shù)同步可視化的重要前提，特別是操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)少、成本低的方法開發(fā)尤為迫切。此外，不同方法之間的兼容性和組合優(yōu)化尚需開展更多的驗(yàn)證工作。

2） 根際微生境的時(shí)空動(dòng)態(tài)可視化。時(shí)間動(dòng)態(tài)是全面認(rèn)識(shí)根際微生境中生物地球化學(xué)過程的關(guān)鍵，但已有的根際可視化研究仍較少涉及時(shí)間動(dòng)力學(xué)，這主要是由于在構(gòu)建時(shí)間序列時(shí)所需的樣品制備以及分析繁瑣所致，而分析儀器耗時(shí)較長(zhǎng)且費(fèi)用昂貴是限制其發(fā)展的另一重要因子。此外，除X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描等技術(shù)外，大部分可視化技術(shù)僅能獲取二維空間分布圖。因此，在拓展二維空間可視化參數(shù)的同時(shí)，應(yīng)積極開發(fā)根際三維乃至四維可視化方法。未來可從三維可視化技術(shù)開發(fā)、樣品制備和數(shù)據(jù)整合方法等方面進(jìn)行深入探究。

3） 根際原位可視化技術(shù)的田間應(yīng)用。由于根際微生境空間分辨率的要求、田間條件的不可預(yù)測(cè)性，以及缺少便攜式儀器，已有研究主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬田間條件下，基于根箱或微根窗培養(yǎng)等方法構(gòu)建根?土界面，探究根際生化參數(shù)的空間分布特征。然而，模擬獲得的根?土界面可能與田間條件在根系構(gòu)型、化學(xué)和微生物環(huán)境等諸多方面有較大差異。因此，亟需開展根際可視化技術(shù)在田間的應(yīng)用驗(yàn)證。

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作者簡(jiǎn)介：

顧文杰，博士，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所所長(zhǎng)，三級(jí)研究員，博士生導(dǎo)師，國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境微生物種質(zhì)資源庫（廣東）主任，擔(dān)任農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、廣東省耕地保育與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、中國(guó)植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、廣東省土壤學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。長(zhǎng)期致力于微生物?植物互作與廢棄物資源化利用等研究。近年主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目子課題、廣東省自然科學(xué)基金、廣東省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目及產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目等30 余項(xiàng)國(guó)家及省市級(jí)項(xiàng)目，發(fā)表論文50 余篇，獲授權(quán)專利20 件，參編專著3 本。研究成果分別獲教育部科技成果1 項(xiàng)、廣東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2 項(xiàng)、廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1 項(xiàng)和二等獎(jiǎng)3 項(xiàng)。

劉 沖，博士，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所助理研究員，主要從事植物?微生物根際互作、土壤?植物系統(tǒng)微量元素行為等研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等項(xiàng)目，作為主要成員參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等多項(xiàng)國(guó)家、省部級(jí)項(xiàng)目。以第一作者在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文10 余篇。獲廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)。

基金項(xiàng)目：廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所科技條件平臺(tái)創(chuàng)新項(xiàng)目（ZHS2023-01）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42307410）；廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（2024A1515011125）；廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023B0202010027）；“十四五”廣東省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新九大主攻方向“揭榜掛帥”項(xiàng)目（2023SDZG08）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021B1212050020）；十四五新興學(xué)科團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（202121TD）。