事關糧食安全！植物如何扛過板結土壤？上海交大破解植物 “穿土” 密碼
應對生存危機，植物也能有自己的動作？上海交通大學的最新研究成果，發現自身無法移動的植物也有辦法度過生長難關。
統計顯示，土壤板結疊加乾旱脅迫導致的減產可高達75%。這是因爲板結的土壤顆粒密度大而孔隙度小，嚴重阻礙植物的根系生長。現代農業中，土壤板結已成爲全球性問題。這是因爲大型耕作機械的擠壓會導致耕作層下的土壤硬化，並在化肥的過度使用和全球氣候變化的影響下進一步加劇。要提高作物生存能力，保證糧食產量，就需要人工培育根系穿透能力強的作物品種來“協助”植物渡過難關。
近日，上海交通大學生命科學技術學院張大兵和梁婉琪教授團隊聯合丹麥哥本哈根大學斯塔凡·佩爾松（Staffan Persson）教授團隊、英國諾丁漢大學馬爾科姆·J·本內特教授（Malcolm J. Bennett）團隊在國際頂尖學術期刊《自然》上發表題爲《乙烯通過調控細胞壁力學特性介導根系響應土壤板結》（Ethylene modulates cell wall mechanics for root responses to compaction）的最新研究，首次揭示了植物根系如何利用工程學原理適應板結土壤：通過主動響應積累的乙烯，精細調控細胞壁厚度，從而促進根系增粗，提高穿透能力以適應土壤板結。
植物有獨特的地下“生存智慧”
在面對外界環境的危險時，動物可以通過移動而趨利避害，例如候鳥南飛，魚類洄游，相比之下，不具備移動能力的植物似乎處於一種“被動挨打”的境地。
實際上，在植物漫長的進化過程中，也形成了一套特殊的“生存智慧”。細胞壁作爲植物獨有的結構，具有獨特的力學特性，是支撐植物抵禦脅迫環境的重要武器之一。例如，細胞壁的加厚可以增強植物地上部分的機械強度，從而提高植物的抗倒伏性能。而在地下，看似柔軟的植物根系中，細胞壁又是如何兼顧保護性和可塑性，幫助其對抗土壤的阻力不斷生長的呢？
早期研究發現，當根系遇到板結土壤時，會發生徑向膨脹增粗，這種適應性反應主要由皮層細胞層擴張驅動。研究推測，皮層細胞膨脹的過程主要通過增大細胞壁的彈性來實現。那麼，植物是如何響應土壤硬度來動態地調節自身細胞壁的塑性來幫助根系穿透板結土壤的呢？
水稻根適應板結土壤的調控機制。
研究團隊聯想到了植物細胞壁的“鋼筋”——纖維素。研究團隊發現，和通常認知的“纖維素越多越強壯”不同，當用低濃度纖維素合成抑制劑處理水稻時，根系在板結土壤中的穿透能力不降反升！爲了驗證這一反常現象，團隊利用基因編輯技術敲除了纖維素合成酶基因OsCESA6，獲得cesa6突變體。CT成像顯示，cesa6突變體在板結土壤中比正常水稻穿透力更強，且這種“超能力”僅在板結條件下顯現。這揭示了纖維素合成的精密調控是影響植物根系穿透板結土壤的關鍵因素。
那麼，是誰在調控纖維素合成的速度，以維持對植物生長的最有利條件呢？
研究團隊從上千個水稻基因中找到了關鍵調控因子OsARF1。當根系遇到板結土壤時，土壤中積累的氣體激素乙烯會激活OsARF1，使其從根系中心擴散到皮層細胞，抑制纖維素合成酶基因的表達，最終導致皮層細胞壁變薄變軟，根系得以徑向膨脹變粗。研究團隊通過進一步實驗驗證發現，缺失OsARF1的突變體根系纖細、無法膨脹；而過量表達OsARF1的植株根系粗壯、穿透力強。因此，乙烯-OsARF1-纖維素合成酶這條調控鏈路，正是植物應對土壤板結的關鍵策略。
利用工程學原理，植物突破板結土壤
爲什麼降低纖維素反而能幫助穿透板結土壤？
這背後，隱藏着植物根系天然的“工程學智慧”。研究團隊首次揭示了水稻根系應對板結土壤的策略——“厚表皮-薄皮層”模型。
植物根系最外側是表皮細胞，再往內則是皮層細胞。表皮細胞就像“門衛”，排列緊密地站在最外，專門負責吸收水分和礦物質。皮層細胞則像“倉庫管理員”，位於表皮細胞內側，體積大、排列疏鬆，中間有空隙，方便儲存和運輸營養。
在工程學中，管道設計遵循這樣的原則：當管道內部承受相同壓力時，管徑越大，所需的壁厚就越厚。植物根系巧妙地應用了這一原理：表皮細胞的細胞壁增厚變硬，像“盔甲”一樣提供堅固的外層保護；而皮層細胞孔徑擴大，細胞壁變薄變軟，允許細胞徑向膨脹，形成更大的橫截面產生推力穿透土壤。這種策略讓根系既能產生足夠的推力推開板結土壤，又能維持結構的完整性。
“厚表皮-薄皮層”適應板結土壤的力學模型。
實驗驗證了這一機制的精確性：缺失OsARF1的突變體（arf1-1）皮層細胞壁始終“厚重”，細胞無法膨脹；而過量表達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層。
該項研究首次從細胞壁力學角度揭示了植物根系應對土壤板結的生物學原理，讓我們看到了隱藏在地下、不爲人知的植物智慧——它們像工程師一樣，通過優化不同細胞層的材料特性，設計出最適合地下生存的結構方案。
研究不僅破解了植物適應逆境的分子密碼，更爲未來作物設計開闢了新維度。基於“厚表皮—薄皮層”模型，育種家可以像工程師設計建築那樣，精準調控不同細胞層的細胞壁特性，培育出具有最優土壤穿透能力的根系，從而緩解農業機械化帶來的土壤板結對作物生長的不利影響，更好地應對氣候變化導致的土壤退化挑戰。同時也可以擴大板結土壤的利用率，維護作物產量安全。
本研究由上海交通大學生命科學技術學院梁婉琪教授，英國諾丁漢大學Bipin K. Pandey研究員，丹麥哥本哈根大學教授、上海交通大學訪問特聘教授Staffan Persson擔任共同通訊作者。上海交通大學梁婉琪和張大兵教授指導的博士後張姣爲論文第一作者。
