文摘gydF4y2Ba
食品安全的一个定义是足够的,安全的,有营养的食物来满足饮食需求。本文强调了植物矿质营养食品生产的作用,向人类提供基本矿物元素的饮食,和防止有害矿物元素进入食物链。作物生产最大化,必须解决实际和潜在收益之间的差距。这种差距是15 - 95%的潜在收益,根据作物和农业系统。当前植物矿质营养研究旨在开发适当的农学和改进的基因型、不育和富有成效的土壤,使无机和有机肥料利用效率。矿物营养不良影响世界人口的三分之二。应用程序可以处理它的化肥,土壤改良和基因型的发展,积累更大的浓度的矿物质元素缺乏人类的饮食可食用组织。过度有害矿物元素的浓度也妥协作物生产和人类健康。减少这些元素进入食物链,化肥可能执行严格的质量要求,用来减少phytoavailability农艺策略,和作物基因型开发不积累高浓度的这些元素可食用组织。gydF4y2Ba
1。介绍gydF4y2Ba
食品安全可以被定义为拥有足够,安全,营养食品的饮食需要积极和健康的生活gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。探讨植物矿质营养的作用在作物生产,交付人体健康所需的矿物质元素,和预防有毒矿物元素进入人类的食物链。gydF4y2Ba
作物生产是基于phytoavailability所需的足够数量的14个基本矿物元素对植物生长和繁殖能力(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba;(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3gydF4y2Ba])。这些营养素、氮(N)、磷(P),钾(K)、钙(Ca),镁(Mg)和硫(S),由作物,需要大量和微量元素氯(Cl)、(B)、硼铁(Fe)、锰(Mn)、铜(铜)、锌(锌)、镍(镍)和钼(Mo)需要少量(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。缺乏其中任何一个元素限制了植物的生长,降低作物产量。低phytoavailability地理区域,这些矿物元素常常被应用于作物为无机或有机肥料增加作物生产(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。然而,化肥的应用带来经济和环境成本。在一些地区,特别是那些远离原点的制造、无机化肥的成本可以构成高总生产成本的比例,和变幻莫测,无机化肥价格的不确定性可以禁止他们使用[gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]。无机化肥的生产是高耗能和消耗自然资源,和化肥超过作物需求的应用程序可以减少土地,水,和空气质量通过淋溶和径流,富营养化,和气体排放gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。当前研究植物矿质营养是指向发展中(1)农业战略,提高化肥使用效率作物和(2)遗传策略发展与更大的收购和作物的生理利用率矿物元素(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。这些努力贡献对粮食安全和农业的经济和环境的可持续性。gydF4y2Ba
人类需要足够的摄入许多矿物元素的幸福(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。除了14元素必不可少的植物,人类需要大量的钠(Na)、硒(Se)、(Co)钴和碘(I)在他们的饮食可能还有少量的氟(F),(李),锂铅(Pb)、砷(),钒(V)、铬(Cr)和硅(Si)。最终,植物产品为人类提供大部分的这些矿物元素。不幸的是,超过三分之二的世界人口的饮食缺乏一个或多个这些至关重要的矿物元素(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]。特别是在世界上60%的铁不足60亿人,30%以上是锌缺乏,几乎30%是我不足,大约15% Se不足。此外,饮食缺乏钙,镁和铜发生在许多发达国家和发展中国家。矿物营养不良是由于作物生产在较低的土壤phytoavailability人体营养所必需的矿物质元素或消费的主要作物,如谷物,或phloem-fed组织时,如水果、种子、块茎,组织固有的低浓度的某些矿物元素(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba),加上饮食中缺乏鱼类和动物产品。phytoavailability较低的土壤矿物元素包括(1)碱性和钙质土壤phytoavailabilities低铁、锌、铜,占25 - 30%的农业用地(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba21gydF4y2Ba),(2)粗切、钙质或强酸性土壤,低镁含量(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba),(3)midcontinental地区低我的内容gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba24gydF4y2Ba),和(4)土壤主要来自火成岩,Se含量较低(gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。目前,矿物营养不良中被认为是最严重的全球性挑战人类,是可以避免的gydF4y2Ba13gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
过度集中的存在潜在的有害矿物元素也妥协作物生产(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)和人类健康。在酸性土壤,毒性锰和铝(Al)限制作物生产gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。土壤酸度发生在约40%的世界的农业用地gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]。此外,Na, B, Cl毒性减少钠的作物生产或盐碱土壤,包括5 - 15%的世界潜在的农业用地(gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba)和毒性锰和铁可以出现在被或淹水土壤gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。倪,Co的过度集中、Cr和Se可以限制植物生长在土壤来源于特定的地质构造(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。此外,失衡的Ca、Mg和K可以发生在灌溉农业和有毒浓度的锌、铜、铅、镉(Cd)和水银(汞)积累了在农业土壤在一些地区由于人类活动gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]。矿物质失衡的Ca、Mg和K在饲料可以造成严重后果对反刍动物的营养和健康gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。有毒元素包含在生产可以在食物链积累对动物和人类健康的有害影响。gydF4y2Ba
本文描述了当前的应用知识的土壤科学、农学、植物生理学、遗传学和作物可以支撑可食用作物的生产贡献足够的矿物质元素营养充足的动物和人类,同时限制有毒元素的进入人类的食物链。gydF4y2Ba
2。增加粮食产量gydF4y2Ba
“绿色革命”的成功使粮食产量跟上人口的增长通过发展semidwarf作物抵抗害虫和病原体,其收益率维持在农用化学品的应用控制杂草、害虫和疾病,矿物肥料和灌溉gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba]。人们普遍认为世界人口,目前生产足够的食物,通常认为,食品安全可以通过更好的分配和访问,主要是由开放市场(gydF4y2Ba39gydF4y2Ba,gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]。在这种情况下,通常是表示,大约六分之一的世界人口是肥胖,而另一个第六正在挨饿。最直接的社会规则是,因此,根据需要重新分配食物,在未来,保持粮食生产速度等于,或大于人口增长。世界人口以每年8000万人的速度增加,这其中许多人将生活在发展中国家gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba,gydF4y2Ba41gydF4y2Ba]。给这些人将需要重大基础设施建设。gydF4y2Ba
最近的估计,不到20%的作物产量的增加需要在未来两年可能来自新土地的种植和耕作强度(约10%的增加gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba42gydF4y2Ba]。因此,对世界粮食安全必须通过增加产量每公顷今天在同一土地面积养殖。建议平均谷物产量需要增加约25%从3.23公顷gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba在2005/07 4.34公顷gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba2050年养活世界人口(gydF4y2Ba41gydF4y2Ba]。这是一个具有挑战性的任务。粮食作物的生产进一步受到动物饲料需求增加,纤维、木材、生物燃料、景观设施、生物保护和城市发展gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba45gydF4y2Ba]。据估计,世界上将近一半的粮食生产由生产N-fertilisers直接支持,这种依赖将随着世界人口的增加gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba46gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
2.1。减少收益差额gydF4y2Ba
“收益率缺口”之间的区别是实际的和潜在的作物生产。作物生产潜力的定义是一个理想状态的适应作物品种生长没有损失害虫和病原体和经验没有生物物理限制以外的不可控因素,如太阳辐射、空气温度和供水gydF4y2Ba47gydF4y2Ba,gydF4y2Ba48gydF4y2Ba]。收益率差距的范围可以从15 - 95%的产量潜力,根据作物种植和农业系统采用(gydF4y2Ba38gydF4y2Ba,gydF4y2Ba47gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba50gydF4y2Ba]。灌溉作物通常方法80%的潜在收益,同时旱作系统提供较低比例的潜在收益(gydF4y2Ba47gydF4y2Ba]。更高的投入意识到更大的产量,减少差距(gydF4y2Ba47gydF4y2Ba]。全球聚合收益率差距目前估计约60%的玉米,47%大米和小麦为43% (gydF4y2Ba48gydF4y2Ba]。农业系统可以被归类为“密集”或“广泛”。集约农业系统利用高投入的化肥,农药,和水,加上有效的机械化,生产单位面积上的高收益。广泛的农业一般与小农耕作有关。它有较低的资本和劳动力的投入,通常,单位面积上的低收益率。收益率差距是最广泛的农业系统,,因此,增加作物生产潜力最大。广泛的农业占据>世界上40%的耕地和维持约40%的人口(gydF4y2Ba49gydF4y2Ba]。主要贡献者收益率差距包括(1)生物物理因素,如土壤质地、pH值和矿物成分,干旱、洪水、和土地拓扑中,(2)生物因素,如杂草压力,从而减少全球主要农作物的产量20 - 40%,和损失害虫和疾病,这可以减少全球主要农作物的产量(25 - 50%gydF4y2Ba51gydF4y2Ba),(3)可怜的饲养,如劣质种子、种植率不佳,不合适的肥料应用程序,和发生的住宿,和(4)社会经济因素,如利润最大化、风险规避、市场影响,资金缺乏,基础设施或劳动力,缺乏信息(gydF4y2Ba38gydF4y2Ba,gydF4y2Ba39gydF4y2Ba,gydF4y2Ba47gydF4y2Ba,gydF4y2Ba48gydF4y2Ba]。因此,降低收益率差距取决于实施改进技术,解决水资源,土壤条件下,矿物营养、农作物保护、作物生产(gydF4y2Ba47gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
2.2。减轻限制贫瘠的土壤gydF4y2Ba
作物生产的主要限制条件发生在碱性、酸、盐和钠的土壤gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。这些约束可以通过农艺措施和适应基因型的培养。gydF4y2Ba
作物生产的主要限制在酸性土壤铝和锰毒性。李明,尤其是白云石石灰(CaMg(有限公司gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),是一种有效的方式来提高土壤pH值,避免铝和锰毒性,并避免钙和镁不足(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。主要的约束通常是铝毒性,培养Al-excluding或Al-tolerant作物使农业生产酸性土壤。植物根系能减少铝吸收(1)分泌的有机酸或粘液从根螯合铝在根际,(2)通过提高根际土壤pH值降低铝的浓度gydF4y2Ba3 +gydF4y2Ba,这是植物性毒素的物种,和(3)绑定Al细胞壁成分(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba52gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba54gydF4y2Ba]。铝进入植物细胞可以被封存在液泡无毒呈现复杂与有机酸(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba52gydF4y2Ba,gydF4y2Ba53gydF4y2Ba]。作物基因型与这些属性可以选择育种项目或由转基因(GM)精英种质(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba54gydF4y2Ba]。同样,在植物物种之间有巨大差异的排斥和宽容Mn,可以利用来改善作物生产在酸性土壤gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
作物生产的主要限制在钙质或碱性土壤通常是低phytoavailability的铁、锌、锰、铜(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。这可以通过提供这些元素作为土壤或叶面肥料。酸化化肥的应用,如尿素、硝酸铵,硫酸铵,铵磷酸盐,或元素,可以解决土壤碱度,同时引入适当的微生物和同伴植物,通过间作或包含在旋转,增加phytoavailability的铁、锌、锰,铜可以增加作物的产量容易受到他们的缺陷gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。此外,由于总浓度的铁、锌、锰、铜和许多土壤作物营养就足够了如果他们phytoavailable,培养基因型与更大的收购或这些元素的生理利用率可以提高作物产量(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba55gydF4y2Ba]。有相当大的遗传变异之间和内植物物种的增长反应phytoavailability铁、锌、铜、锰、收购这些矿物元素的能力,这些元素的生理利用率产生收益(gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba55gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba58gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
钠的毒性被认为影响5 - 15%的潜在农业用地(gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba]。作物生产在这片土地上可以增加了管理实践,减少钠的浓度gydF4y2Ba+gydF4y2Ba在土壤溶液gydF4y2Ba59gydF4y2Ba]。传统上,盐碱土壤修复的浸出可溶盐的土壤剖面通过与淡水灌溉,和钠的土壤整治通过Ca的应用gydF4y2Ba2 +gydF4y2Ba,通常是石膏,其次是用淡水冲洗土壤(gydF4y2Ba59gydF4y2Ba]。这些管理实践也删除Cl和B(取决于土壤pH值)从盐和钠的土壤。这些管理策略可以增强通过种植庄稼或品种有更大的排斥或Na公差,Cl,或者B有相当大的遗传变异之间和在植物物种生长在土壤高钠、氯和B的浓度,可用于作物选择或繁殖gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba60gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba62年gydF4y2Ba]。此外,植物运输过程使转基因植物知识,创建更大的收益率盐和钠的土壤。例如,过度的HKT1 orthologues Na的检索gydF4y2Ba+gydF4y2Ba拍摄的木质部限制钠浓度和授予Na宽容转基因植物(gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba63年gydF4y2Ba],增加表达的基因编码运输蛋白质催化B射流从细胞(cartoon movement)增加耐受性高B在土壤溶液浓度(gydF4y2Ba62年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba64年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
2.3。优化化肥应用可持续集约化gydF4y2Ba
在许多农业土壤,没有足够的phytoavailable N, P, K或快速增长的作物(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba65年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba]。增加作物产量,这些元素,因此,作为无机化肥,提供肥料,堆肥,或者其他材料包括工业biproducts“浪费”,如血和骨头,酒厂,啤酒厂,酒厂残留,残留的糖生产、石膏板、纸和崩溃,和飞灰(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba70年gydF4y2Ba]。增加粮食产量在未来,可持续发展需要加强。高作物产量可能达到通过适当的管理和持续的矿产输入,多个源的无机和有机去除营养限制作物生产,支持通过适当修改地址等土壤约束酸度或碱度gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
有许多农艺策略来提高效率在使用无机和有机肥料的作物。其中包括(1)化肥的使用建议通知现场响应试验和基于土壤或植物分析(gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba71年gydF4y2Ba),(2)基于模型的决策支持系统通知肥料推荐(gydF4y2Ba72年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba),(3)化肥位置和其他精密应用技术(gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba75年gydF4y2Ba),(4)通过杀虫剂和除草剂喷洒叶面施肥计划允许肥料应用作物以最大速度增长时,和(5)作物残留物,堆肥,或动物肥料提高土壤质量gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba76年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba77年gydF4y2Ba]。豆类的引入到旋转提高N-economies广泛可以提高作物产量,N-limited农业系统(gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba78年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
这些农艺策略可以补充作物品种的发展,更有效地获取和利用化肥生产商业收益。文献包含了许多定义有关农业化肥的有效利用gydF4y2Ba79年gydF4y2Ba]。一种矿物元素的农艺利用效率(MUE)中提供肥料通常定义为作物干物质(DM)矿物元素的单位面积产量(M可用gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)在土壤(g DM ggydF4y2Ba−1gydF4y2Ba米gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)。这个数字相当于植物矿物含量(M的产物gydF4y2BapgydF4y2Ba)单位可用的矿物元素(g MgydF4y2BapgydF4y2BaggydF4y2Ba−1gydF4y2Ba米gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba),这是通常被称为植物矿物吸收效率(MUpE)和单位面积产量植物矿物含量(g DM ggydF4y2Ba−1gydF4y2Ba米gydF4y2BapgydF4y2Ba),这是通常被称为矿物植物的利用效率(沉默)。之间有相当大的遗传变异,并在作物物种,在所有这些措施为矿物元素中提供化肥,包括N, P, K (gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba80年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba84年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
氮利用效率(纽特)经常贡献超过N吸收效率(努佩人)农艺N使用效率(自虐)当植物种植与低N供应(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba85年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba87年gydF4y2Ba]。历史纽特的改善归因于一个更大的分区(即干物质的粮食。、提高收获指数)和纽特通常是与产量呈正相关。在作物,如谷物和油籽强奸,要求继续开花后根系吸氮,努佩人也大大加重了熔炼(gydF4y2Ba87年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba88年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
相比之下,基因型之间的差异在他们的产量反应P受精通常与P吸收效率(PUpE)但不是P利用效率(单纯的)在植物(gydF4y2Ba79年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba82年gydF4y2Ba]。PUpE一直归因于改善根的特征结构,特别是大的生产侧的根,表层土觅食特点、生产根头发,和有机酸的分泌和磷酸酶进入根际gydF4y2Ba65年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba79年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba82年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba89年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba90年gydF4y2Ba]。PUE的染色体位点(QTL)定位影响方面在水稻[已报告gydF4y2Ba91年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba96年gydF4y2Ba)、小麦(gydF4y2Ba97年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba98年gydF4y2Ba)、玉米(gydF4y2Ba99年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba101年gydF4y2Ba],bean [gydF4y2Ba102年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba105年gydF4y2Ba,大豆gydF4y2Ba106年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba108年gydF4y2Ba),gydF4y2Ba芸苔属植物拉伯gydF4y2Ba(gydF4y2Ba109年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba110年gydF4y2Ba),gydF4y2Ba芸苔属植物oleraceagydF4y2Ba(gydF4y2Ba89年gydF4y2Ba),而gydF4y2Ba芸苔属植物显著gydF4y2Ba(gydF4y2Ba111年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba112年gydF4y2Ba]。这种基因知识将加速繁殖PUE的作物。gydF4y2Ba
植物物种不同的应对K-fertiliser和增长自己的能力获得和利用K (gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba113年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba114年gydF4y2Ba]。虽然有遗传变异在K吸收效率(库普)和K的利用效率(KUtE)作物物种(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba81年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba84年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba113年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba115年gydF4y2Ba),农艺钾利用效率(带来)通常与KUtE[与库佩,很少gydF4y2Ba84年gydF4y2Ba]。大库佩归因于:(1)增加分泌释放更多的交换性钾的化合物gydF4y2Ba+gydF4y2Ba进入土壤溶液,(2)增加KgydF4y2Ba+gydF4y2Ba根细胞的吸收能力,加速KgydF4y2Ba+gydF4y2Ba表面扩散到根,(3)根扩散进入土壤体积,降低K的距离gydF4y2Ba+gydF4y2Ba扩散到根和根表面积增加了KgydF4y2Ba+gydF4y2Ba吸收,和(4)较高的蒸腾速率,加速土壤溶液的质量流到根表面(gydF4y2Ba114年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
3所示。生物强化人体营养的食用作物gydF4y2Ba
原则上,两个互补的策略可以用来增加矿物浓度可食用作物(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba116年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba119年gydF4y2Ba]。第一个策略,称为“农业”生物强化,雇佣了化肥的使用含有矿物质元素缺乏人类的饮食,主要是锌、铜、铁、我,Mg, Ca,适当结合(1)土壤改良剂,如堆肥和土壤肥料增加浓度的基本要素,(2)酸化化肥,如尿素、硝酸铵,硫酸铵,铵磷酸盐,或元素年代,纠正土壤碱度或石灰纠正土壤酸度,和(3)适当的作物轮作、间作、有益的土壤微生物的引入增加phytoavailability矿物元素(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba55gydF4y2Ba,gydF4y2Ba120年gydF4y2Ba]。在矿物元素,如铁、锌、迅速成为不可用根,叶面肥料的使用,而不是土壤化肥,建议(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。N化肥的应用程序,可以用来增加锌浓度在树叶和phloem-fed组织(gydF4y2Ba121年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba125年gydF4y2Ba]。第二个策略,称为“基因”生物强化,雇佣了作物基因型与能力获得矿物元素和积累在可食用组织。有足够的自然遗传变异矿物元素的浓度通常缺乏人类饮食在大多数作物物种的可食用组织繁殖增加中矿物元素含量可食用组织(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba118年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba126年gydF4y2Ba和也为针对转基因作物的范围gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba125年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba127年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
农艺策略是最有效的在适当的基础设施的生产,分配,和无机肥料的应用和是唯一可行的战略地区,土壤矿物元素的浓度没有足够人体营养所需支持mineral-dense作物(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba116年gydF4y2Ba]。几个作者回顾了适当的方法、基础设施需求和粮食生产实际利益,经济可持续发展和人类健康的食用作物农艺生物强化(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba116年gydF4y2Ba]。农业战略的成功使用的例子包括(1)的应用Se-fertilisers增加膳食硒的摄入量在芬兰,新西兰,和其他地方gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba128年gydF4y2Ba),(2)iodinisation灌溉用水增加膳食的摄入量,我在新疆,中国gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba129年gydF4y2Ba),(3)复合肥料的使用含有锌增加作物产量、膳食锌摄入量、和人类健康在土耳其安纳托利亚,(gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba116年gydF4y2Ba]。理性的方法来选择区域,将有利于大多数从农艺生物强化也被开发出来gydF4y2Ba130年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
地区的遗传策略可以被认为是人体营养所需的矿物元素的总浓度足以支持mineral-dense作物,但这些元素的积累有限phytoavailability和收购植物根系(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。这种策略特别相关的地区缺乏肥料分配所需的基础设施(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]。它被认为是成本有效和有利于世界上40%的人口主要依靠自己的食品生存(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]。已经观察到有足够的遗传变异在所有主要作物繁殖品种的种质收集积累更大的矿物元素的浓度可食用部分(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba118年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba125年gydF4y2Ba]。这样的育种策略可以通过分子标记的发展与基本矿物元素的积累植物的可食用部分。最近的研究,因此,被定向到染色体的识别位点(QTL)定位与这些特征(表相关联gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。例如,QTL影响至关重要的矿物元素的积累一般缺乏人类的饮食可食用部分已确定在大米gydF4y2Ba131年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba136年gydF4y2Ba)、小麦(gydF4y2Ba131年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba140年gydF4y2Ba],大麦[gydF4y2Ba141年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba142年gydF4y2Ba)、玉米(gydF4y2Ba143年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba144年gydF4y2Ba],bean [gydF4y2Ba145年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba152年gydF4y2Ba,大豆gydF4y2Ba153年gydF4y2Ba),芸苔属植物gydF4y2Ba154年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba158年gydF4y2Ba),和土豆gydF4y2Ba159年gydF4y2Ba]。这些知识将促进传统育种mineral-dense作物。gydF4y2Ba
策略使用转基因的农作物也被开发来增加收购矿物元素对于人体营养和积累在可食用组织(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba125年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba160年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba162年gydF4y2Ba]。这些策略主要集中在生物强化铁和锌的食用农产品。在nongraminaceous植物、铁吸收可以增加overexpressing铁(III)还原酶基因编码gydF4y2Ba163年gydF4y2Ba),在双子叶植物的铁和锌可增加了更大的分泌phytosiderophores [gydF4y2Ba164年gydF4y2Ba]。编码的基因的超表达载体催化铁gydF4y2Ba2 +gydF4y2Ba或锌gydF4y2Ba2 +gydF4y2Ba涌入根细胞,封存在液泡,或交付木质部会见了一些成功的作物植物的根和叶的生物强化铁和锌,但很少的生物强化水果、种子、块茎(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba125年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba127年gydF4y2Ba]。相比之下,烟草胺合成酶基因的超表达编码(NAS)往往会导致铁的浓度增加,锌,锰在叶子和种子(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba125年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba161年gydF4y2Ba]。此外,目标基因编码金属结合蛋白的过度表达,如铁蛋白和乳铁蛋白,增加了铁、锌、铜含量大米谷物(gydF4y2Ba160年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba165年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba166年gydF4y2Ba在玉米种子[]和铁浓度gydF4y2Ba167年gydF4y2Ba),生菜叶子(gydF4y2Ba168年gydF4y2Ba),水果,番茄和马铃薯块茎(gydF4y2Ba169年gydF4y2Ba]。在小麦、功能性NAC转录因子的表达(gydF4y2BaNAM-B1gydF4y2Ba)增加粮食铁和锌浓度通过加速衰老和增加这些元素的remobilisation从树叶发展粮食gydF4y2Ba170年gydF4y2Ba]。成功的生物强化食用农产品与Ca通过基因的超表达编码空泡的CagydF4y2Ba2 +gydF4y2Ba/小时gydF4y2Ba+gydF4y2Ba-antiporters AtCAX1缺乏其autoinhibitory域(gydF4y2BasCAX1gydF4y2Ba),修改AtCAX2 (gydF4y2BasCAX2gydF4y2Ba)或AtCAX4在适当的组织gydF4y2Ba171年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba174年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
4所示。减少有毒元素的进入人类的食物链gydF4y2Ba
一些自然土壤可以包含高浓度的矿物元素潜在的有毒植物和动物(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。例如,酸性土壤有过多的铝和锰phytoavailability、蛇形土壤过度倪,公司或铬浓度,seleniferous土壤含有过多的Se浓度(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba,gydF4y2Ba59gydF4y2Ba]。工业活动也污染农业土壤,例如,Pb, Cd,镍,锌,铜金属矿石的开采和冶炼gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba,gydF4y2Ba59gydF4y2Ba从故意或意外的排放)和放射性同位素gydF4y2Ba175年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba176年gydF4y2Ba]。其他人类活动,如化石燃料的燃烧和各种废弃物,也导致了潜在的有毒元素的大气沉积到农业土壤和铜农药在农业中的应用增加了土壤铜含量(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba,gydF4y2Ba177年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba178年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
土壤改良剂,包括无机肥料,肥料、污水污泥,和城市废弃物,也可以包含高浓度的潜在的有毒矿物质元素和放射性同位素(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba,gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba178年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba181年gydF4y2Ba,农业和市政废物的回收还可以导致有害的积累,和持久,有机化合物(gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba]。一些生产磷酸盐化肥可以包含高浓度的,特别是,Cd,铬、汞、铅和放射性同位素铀(U)和镭(Ra),但这些元素的含量差别很大取决于磷矿石的来源(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba]。动物肥料和泥浆可以包含大量的Cd,铬、铅、Co、锌、锰、铜、钼(gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba178年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba182年gydF4y2Ba]。类似地,污水污泥可以含有高浓度的铅,Cd, Cr、Se,有限公司镍、锌、锰、铜,以及人类病原体(gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba178年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba181年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba183年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba186年gydF4y2Ba]。城市生活垃圾堆肥是经常应用于高的应用程序(例如,200毫克公顷gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba),这可能导致大量的铅,Cd, Cr、,汞、硒,有限公司镍、锌、锰、铜和钼进入土壤(gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba185年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba187年gydF4y2Ba]。幸运的是,许多这些潜在的有毒元素的phytoavailability从市政堆肥相对较低gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba185年gydF4y2Ba]。工业废物如食品废物,造纸污泥、粉煤灰也可以包含大量的潜在的有毒元素(gydF4y2Ba178年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba188年gydF4y2Ba]。在许多国家,立法限制了大量的应用于土壤重金属的可食用的作物生长对人类消费(表gydF4y2Ba3gydF4y2Ba;(gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba178年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba184年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba187年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba189年gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba193年gydF4y2Ba])。重要的是,这些限制是维持作物生产和人类健康。gydF4y2Ba
有特定的浓度在水稻的担忧,特别是在南亚国家,如孟加拉国、印度和中国(gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]。淹没稻田条件导致亚砷酸盐的动员,由水稻根系吸收有效地通过硅运输途径gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]。种植水稻旱作条件下变得更长,赛季中期排水的水或培养提高土壤床,已被建议作为一个有效的方法来减少吸收的米饭,和Si-fertilisers也可以用来限制吸收(gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]。除了这些农艺策略,水稻品种被发现,低浓度的积累,和其他潜在的有毒元素,在粮食、QTL与这些特征被确定为育种作物安全(gydF4y2Ba137年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba194年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba195年gydF4y2Ba]。同样,其他农作物的基因型,低浓度的积累潜在有毒矿物质元素在他们的可食用部分正在开发通过传统育种和转基因方法(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba36gydF4y2Ba,gydF4y2Ba126年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba196年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
土壤中矿物元素的持续补给维护未来的粮食生产至关重要。可持续来源的矿物质元素必须寻求通过回收通过食物链。作物残留物、动物肥料、污水污泥、市政堆肥和工业废物都可以导致植物生长所需的矿物元素的交付。然而,它们的使用也可以增加潜在的有毒元素和有机污染物的输入农业土壤。法律限制他们的使用必须遵循防止毒性植物和动物,一般建议他们通过养分综合管理与无机化肥结合使用避免威胁人类健康和更广泛的环境(gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba]。特别是动物肥料能显著影响农业土壤潜在的有毒元素的输入(gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba186年gydF4y2Ba]。减少潜在的有毒元素的进入人类的食物链从这个来源,饲料政权可以采纳,导致低浓度的这些元素在动物肥料。当市政堆肥应用于农业土地,这些应当符合质量标准(gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba185年gydF4y2Ba]。潜在的有毒元素的浓度在一些污水污泥可以高得令人无法接受gydF4y2Ba184年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba186年gydF4y2Ba]。因此,控制排放到下水道和污水废水处理删除潜在的有毒元素应该服役(gydF4y2Ba183年gydF4y2Ba]。此外,它不推荐市政堆肥与污泥混合,因为这种做法会增加潜在的有毒元素的phytoavailability [gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba]。最后,phytoextraction策略可以用来治理土地污染,并可能被用作生物燃料生成的植物材料(gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba126年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba197年gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
5。结论gydF4y2Ba
本文描述了如何管理植物矿质营养可能导致未来的粮食安全。它凸显了角色农学和植物育种提供充分的,安全的,和有营养的食物来满足人口不断增长的饮食需求。指出,矿物质缺乏的问题,必须解决毒性最大化作物生产密集和广泛的农业系统。碱性化学限制作物生产、酸、盐和钠的土壤可以通过农学或宽容的基因型的发展。强化农业系统无机化肥很可能将继续被要求保持产量。然而,它们的使用都可能减少农业战略,提高肥料利用效率,替代有机肥料和明智的选择更好的获取和利用矿物元素的基因型产生的商业收益。在广泛的农业系统集成使用生物肥料管理策略NgydF4y2Ba2gydF4y2Ba固定、nonacidifying无机肥料和有机肥料和修改开发可以有效地采用土壤肥力。提高人类健康饮食提供至关重要的矿物元素,农艺策略来增加这些元素结合的phytoavailability种植农作物,获取和积累更大的这些元素浓度可食用组织可以追求有充足的土壤中这些元素存在支持mineral-dense作物。然而,这些基本要素并不存在于土壤、肥料的应用包含这些元素是人类饮食要求增加数量,如果饮食保持不变。减少有毒元素进入人类的食物链,严格的质量要求无机和有机肥料可能会执行,农艺策略可以用来减少phytoavailability这些元素,可以开发和作物基因型不积累有毒矿物元素的浓度可食用组织。因此,进行跨学科研究植物矿质营养、土壤科学、农学、未来粮食安全需要和作物育种改善土壤质量,优化化肥应用可持续作物生产和发展策略与基本矿物元素可食用作物的生物强化处理矿物营养不良在人类和其他动物。gydF4y2Ba
承认gydF4y2Ba
本文是基于一个由p . j .白色在欧洲地球科学联盟大会于2011年4月。支持的工作是农村和环境科学和分析服务部门(resa)的苏格兰政府通过工作包7.2 (2011 - 2016)。gydF4y2Ba