現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，大型耕作機(jī)械的擠壓會(huì)導(dǎo)致耕作層下的土壤硬化，并在化肥的過(guò)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)已成為全球性難題。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)重阻礙了作物的根系生長(zhǎng)。因此，為提高作為生存能力，從而保證糧食產(chǎn)量，需要人工培育根系穿透能力強(qiáng)的作物品種來(lái)“協(xié)助”植物渡過(guò)難關(guān)。

　　近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院張大兵和梁婉琪教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合丹麥哥本哈根大學(xué)Staffan Persson教授團(tuán)隊(duì)、英國(guó)諾丁漢大學(xué)Malcolm J. Bennett教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上發(fā)表題為“Ethylene modulates cell wall mechanics for root responses to compaction”的最新研究，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(guò)主動(dòng)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)。

　　“乙烯—OsARF1”精密調(diào)控纖維素合成，助力根系突破板結(jié)土壤

　　纖維素是植物細(xì)胞壁的"鋼筋"，通常被認(rèn)為越多越強(qiáng)壯。然而，研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)卻顛覆了這一認(rèn)知：當(dāng)用低濃度纖維素合成抑制劑處理水稻時(shí)，根系在板結(jié)土壤中的穿透能力不降反升!為了驗(yàn)證這一反?，F(xiàn)象，團(tuán)隊(duì)利用基因編輯技術(shù)敲除了纖維素合成酶基因OsCESA6，獲得cesa6突變體。CT成像顯示，cesa6突變體在板結(jié)土壤中比正常水稻穿透力更強(qiáng)，且這種"超能力"僅在板結(jié)條件下顯現(xiàn)。這揭示纖維素合成的精密調(diào)控是影響植物根穿透板結(jié)土壤的關(guān)鍵因素。

　　那么，是誰(shuí)在調(diào)控纖維素合成的速度，以維持對(duì)植物生長(zhǎng)的最有利條件呢？研究團(tuán)隊(duì)從上千個(gè)水稻基因中找到了關(guān)鍵調(diào)控因子OsARF1。當(dāng)根系遇到板結(jié)土壤時(shí)，土壤中積累的氣體激素乙烯會(huì)激活OsARF1，使其從根系中心擴(kuò)散到皮層細(xì)胞，抑制纖維素合成酶基因的表達(dá)，最終導(dǎo)致皮層細(xì)胞壁變薄變軟，根系得以徑向膨脹變粗。并通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)缺失OsARF1的突變體根系纖細(xì)、無(wú)法膨脹；過(guò)量表達(dá)OsARF1的植株根系粗壯、穿透力強(qiáng)。以上證明了乙烯-OsARF1-纖維素合成酶這條調(diào)控鏈路，正是植物應(yīng)對(duì)土壤板結(jié)的關(guān)鍵策略。

圖1.水稻根適應(yīng)板結(jié)土壤的調(diào)控機(jī)制

　　"厚表皮-薄皮層"——植物利用工程學(xué)原理突破板結(jié)土壤

　　為什么降低纖維素反而能幫助穿透板結(jié)土壤？這個(gè)看似矛盾的現(xiàn)象背后，隱藏著植物根系令人驚嘆的"工程學(xué)智慧"。研究團(tuán)隊(duì)首次揭示了水稻根系應(yīng)對(duì)板結(jié)土壤的精妙策略——"厚表皮-薄皮層"模型。

　　在工程學(xué)中，管道設(shè)計(jì)遵循這樣的原則：當(dāng)管道內(nèi)部承受相同壓力時(shí)，管徑越大，所需的壁厚就越厚才能維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。植物根系巧妙地應(yīng)用了這一原理：表皮細(xì)胞的細(xì)胞壁增厚變硬，像"盔甲"一樣提供堅(jiān)固的外層保護(hù)；皮層細(xì)胞孔徑大，細(xì)胞壁變薄變軟，允許細(xì)胞徑向膨脹，形成更大的橫截面產(chǎn)生推力穿透土壤。這種差異化的細(xì)胞壁重塑策略讓根系既能產(chǎn)生足夠的推力推開(kāi)板結(jié)土壤，又能維持結(jié)構(gòu)的完整性。

　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一機(jī)制的精確性：缺失OsARF1的突變體(arf1-1)皮層細(xì)胞壁始終"厚重"，無(wú)法膨脹；而過(guò)量表達(dá)OsARF1(OE-ARF1)和纖維素合成酶突變體(cesa6)則形成"薄軟"皮層，可自由膨脹穿透板結(jié)層。

圖2.根“厚表皮-薄皮層”適應(yīng)板結(jié)土壤的力學(xué)模型

　　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(duì)土壤板結(jié)的生物學(xué)原理，讓我們看到了隱藏在地下、不為人知的植物智慧——它們像工程師一樣，通過(guò)優(yōu)化不同細(xì)胞層的材料特性，設(shè)計(jì)出最適合地下生存的結(jié)構(gòu)方案。該研究不僅破解了植物適應(yīng)逆境的分子密碼，更為未來(lái)作物設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新維度?；?厚表皮—薄皮層"模型，育種家可以像工程師設(shè)計(jì)建筑那樣，精準(zhǔn)調(diào)控不同細(xì)胞層的細(xì)胞壁特性，培育出具有最優(yōu)土壤穿透能力的根系，從而減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械化帶來(lái)的土壤板結(jié)問(wèn)題，更好地應(yīng)對(duì)氣候變化導(dǎo)致的土壤退化挑戰(zhàn)。同時(shí)也可以擴(kuò)大板結(jié)土壤的利用率，維護(hù)作物產(chǎn)量安全。

　　本研究由上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院梁婉琪教授，英國(guó)諾丁漢大學(xué)Bipin K. Pandey研究員，丹麥哥本哈根大學(xué)教授、上海交通大學(xué)訪問(wèn)特聘教授Staffan Persson擔(dān)任共同通訊作者。上海交通大學(xué)梁婉琪和張大兵教授指導(dǎo)的博士后張姣為論文第一作者。上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院呂暉教授及其博士生李旻昊、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所Nobutaka Mitsuda教授和Shingo Sakamoto博士、英國(guó)諾丁漢大學(xué)Malcolm J. Bennett教授和Osvaldo Chara教授、杜克大學(xué)Philip Benfey教授指導(dǎo)的博士后朱明原、以及上海交通大學(xué)劉增禹、曲卓、薛飛揚(yáng)、石今、李敬彬、單齊冀、余婭等老師等均對(duì)本工作提供了重要幫助。

　　特別感謝張大兵教授在本課題的策劃、推進(jìn)及完成的全過(guò)程中給予的悉心指導(dǎo)。

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