撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，大型耕作機(jī)械的擠壓會導(dǎo)致耕作層下的土壤硬化，并在化肥的過度使用和全球氣候變化的影響下進(jìn)一步加劇，使得土壤板結(jié)成為全球性難題。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，土壤板結(jié)疊加干旱脅迫導(dǎo)致的作物減產(chǎn)可高達(dá) 75%。這是因?yàn)榘褰Y(jié)的土壤顆粒密度大而孔隙度小，嚴(yán)重阻礙了作物根系生長。因此，為提高作為生存能力，從而保證糧食產(chǎn)量，需要人工培育出根系穿透能力強(qiáng)的作物品種來“協(xié)助”植物渡過難關(guān)。

2025 年 11 月 26 日，上海交通大學(xué)張大兵教授、梁婉琪教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海交通大學(xué)/哥本哈根大學(xué)Staffan Persson教授及諾丁漢大學(xué)Malcolm J. Bennett教授團(tuán)隊(duì)（張大兵和梁婉琪教授指導(dǎo)的博士后張姣為論文第一作者），在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Ethylene modulates cell wall mechanics for root responses to compaction 的研究論文。

該研究首次揭示了植物根系利用工程學(xué)原理適應(yīng)板結(jié)土壤：通過主動響應(yīng)積累的乙烯，精細(xì)調(diào)控細(xì)胞壁厚度，從而促進(jìn)根系增粗，提高穿透能力以適應(yīng)土壤板結(jié)。

張大兵，1967 年 7 月出生于江蘇省淮陰縣，長期從事植物發(fā)育生物學(xué)和轉(zhuǎn)基因生物安全領(lǐng)域研究，為我國著名植物學(xué)家、發(fā)育生物學(xué)科領(lǐng)軍人才，曾任上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院副院長，于 2023 年 6 月 22 日遭遇重大交通事故，經(jīng)搶救無效不幸逝世。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對機(jī)械化的依賴導(dǎo)致了土壤退化和板結(jié)，這影響了植物根系生長和作物產(chǎn)量。當(dāng)植物根系遇到板結(jié)的土壤條件時(shí)，會徑向擴(kuò)張，導(dǎo)致根系變短變粗。這種徑向根系膨脹主要是由于皮層細(xì)胞層的擴(kuò)張，這可能會導(dǎo)致土壤裂縫，從而有助于根系穿透土壤。這種適應(yīng)性響應(yīng)是由根系周圍的氣體激素乙烯的積聚所驅(qū)動的，因?yàn)榘褰Y(jié)會減少土壤中的氣體擴(kuò)散。盡管有了這種機(jī)制上的認(rèn)識，但乙烯究竟如何控制細(xì)胞壁重塑以實(shí)現(xiàn)根系的徑向擴(kuò)張，目前仍不清楚。

植物的初生細(xì)胞壁，尤其是承重聚合物纖維素的組織形式和含量，支持著細(xì)胞的各向異性生長，對器官生長至關(guān)重要。纖維素在質(zhì)膜上由被稱為CESA 復(fù)合體（CSC）的大分子多聚體蛋白復(fù)合物生成。在水稻中，OsCESA1、OsCESA3、OsCESA5、OsCESA6 和 OsCESA8 形成異三聚體 CSC，在根細(xì)胞生長期間參與初生細(xì)胞壁的合成。當(dāng)根部遇到土壤板結(jié)時(shí)，其皮層細(xì)胞壁中纖維素微纖絲的排列會發(fā)生改變。盡管細(xì)胞壁的機(jī)械剛度對于細(xì)胞的各向異性生長至關(guān)重要，但對于細(xì)胞壁特性如何調(diào)控根系在板結(jié)土壤中的穿透力，仍知之甚少。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)對水稻進(jìn)行了研究，報(bào)告了植物激素乙烯如何控制細(xì)胞壁生物合成以促進(jìn)根系的徑向擴(kuò)張，證明了土壤板結(jié)導(dǎo)致乙烯積累，上調(diào)水稻根系皮層中的生長素反應(yīng)因子-1（OsARF1），從而抑制纖維素合成酶（CESA）基因的表達(dá)。CESA 的抑制， 會導(dǎo)致皮層細(xì)胞壁變薄變軟，驅(qū)動根系皮層細(xì)胞的徑向擴(kuò)張，使得根系得以徑向膨脹變粗、穿透力增強(qiáng)。

更厚的表皮、更薄的皮層細(xì)胞壁，有助于水稻根系適應(yīng)土壤板結(jié)

該研究將乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與根系細(xì)胞壁重塑聯(lián)系起來，并揭示了纖維素合成的動態(tài)調(diào)控如何控制板結(jié)土壤中的根系生長，從而提出乙烯-OsARF1-纖維素合成酶調(diào)控鏈路是植物應(yīng)對土壤板結(jié)的關(guān)鍵策略。

真的是，該項(xiàng)研究首次從細(xì)胞壁力學(xué)角度揭示了植物根系應(yīng)對土壤板結(jié)的生物學(xué)原理，不僅破解了植物適應(yīng)逆境的分子密碼，也為未來作物設(shè)計(jì)開辟了新維度——通過精準(zhǔn)調(diào)控不同細(xì)胞層的細(xì)胞壁特性，培育出具有更好良好的土壤板結(jié)適應(yīng)能力根系的作物奠定了基礎(chǔ)。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09765-7