植物營養學整合了土壤化學、膜轉運生物學、植物-微生物互作和農業生態學，是理解植物適應營養限制和優化作物養分利用效率的基礎。
氮代謝的系統調控
硝酸鹽（NO₃⁻）不僅是氮源，更是重要的信號分子。NRT1.1/CHL1（又名 NPF6.3）是一個雙親和力硝酸鹽轉運蛋白兼受體（transceptor）——在 Thr101 未磷酸化時為低親和力模式，CBL-CIPK23 複合體磷酸化 Thr101 後切換為高親和力模式（Ho et al., 2009, Cell）。NLP（NIN-LIKE PROTEIN）轉錄因子是硝酸鹽信號的主要效應器，核保留受硝酸鹽依賴的去磷酸化調控。
植物的氮利用效率（NUE）受 NRT/AMT 吸收效率、GS-GOGAT 同化途徑和氮再動員（senescence-associated 蛋白酶降解和胺基酸再分配）共同決定。提升 NUE 是減少農業氮肥用量和環境汙染的關鍵育種目標。
磷飢餓反應（Phosphate Starvation Response, PSR）
PHR1/PHL1（MYB 轉錄因子）是 PSR 的核心調控者，結合 P1BS（PHR1 Binding Sequence）順式元件，誘導磷轉運蛋白（PHT1 家族）、紫色酸性磷酸酶（PAP）和 RNase 基因表達。SPX 蛋白在磷充足時結合 InsP（inositol pyrophosphate，特別是 InsP8）並抑制 PHR1 活性。miR399-PHO2 模組提供系統性磷信號：低磷時 miR399 在芽中上調並經韌皮部運至根，靶向降解 PHO2（E2 泛素結合酶），解除 PHT1 蛋白的泛素化降解（Pant et al., 2008）。
植物根系構型（root system architecture）的可塑性是適應低磷的重要策略。STOP1-ALMT1 通路使根在低磷時增加有機酸外排，活化土壤中被鋁/鐵/鈣固定的磷。白羽扇豆（Lupinus albus）形成排根（proteoid/cluster roots），集中分泌大量有機酸和磷酸酶。
共生固氮的分子機制
Nod 因子是脂寡醣（lipo-chitooligosaccharide），其結構決定宿主專一性。根毛細胞膜上的 LysM 受體激酶（NFR1/NFR5 或 LYK3/NFP）感知 Nod 因子，啟動 CSSP（Common Symbiosis Signaling Pathway）：SYMRK → 核膜鈣振盪（由 CASTOR/POLLUX 陽離子通道和 CCaMK 解碼）→ CYCLOPS 磷酸化 → NIN 轉錄因子活化。NIN 的啟動子區域有遠端 CE（cytokinin response element）和近端 Nod 因子應答元素，整合局部和系統信號（Liu et al., 2019, Science）。
Autoregulation of Nodulation（AON）：根瘤中產生的 CLE 肽（如 CLE-RS 在 Lotus 中）經木質部傳至芽部的 HAR1/SUNN/NARK 受體激酶，產生芽衍生抑制信號（可能涉及 miR2111 和 TML）下行抑制新的根瘤起始，防止過度固氮消耗碳源。