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現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，大型耕作機械的擠壓會導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一步加劇，使得土壤板結(jié)已成為全球性難題。統(tǒng)計結(jié)果顯示土壤板結(jié)疊加干旱脅迫導致的減產(chǎn)可高達75%。這是因為板結(jié)的土壤顆粒密度大而孔隙度小，嚴重阻礙了作物的根系生長。因此，為提高作為生存能力，從而保證糧食產(chǎn)量，需要人工培育根系穿透能力強的作物品種來“協(xié)助”植物渡過難關(guān)。
近日，上海交通大學生命科學技術(shù)學院張大兵和梁婉琪教授團隊聯(lián)合丹麥哥本哈根大學Staffan Persson教授團隊、英國諾丁漢大學Malcolm J. Bennett教授團隊在國際學術(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原理適應(yīng)板結(jié)土壤：通過主動響應(yīng)積累的乙烯，精細調(diào)控細胞壁厚度，從而促進根系增粗，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
纖維素是植物細胞壁的"鋼筋"，通常被認為越多越強壯。然而，研究團隊的發(fā)現(xiàn)卻顛覆了這一認知：當用低濃度纖維素合成抑制劑處理水稻時，根系在板結(jié)土壤中的穿透能力不降反升!為了驗證這一反?，F(xiàn)象，團隊利用基因編輯技術(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，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，是誰在調(diào)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(guān)鍵調(diào)控因子OsARF1。當根系遇到板結(jié)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。并通過進一步實驗驗證，發(fā)現(xiàn)缺失OsARF1的突變體根系纖細、無法膨脹；過量表達OsARF1的植株根系粗壯、穿透力強。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)控機制
"厚表皮-薄皮層"——植物利用工程學原理突破板結(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"工程學智慧"。研究團隊首次揭示了水稻根系應(yīng)對板結(jié)土壤的精妙策略——"厚表皮-薄皮層"模型。
在工程學中，管道設(shè)計遵循這樣的原則：當管道內(nèi)部承受相同壓力時，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：表皮細胞的細胞壁增厚變硬，像"盔甲"一樣提供堅固的外層保護；皮層細胞孔徑大，細胞壁變薄變軟，允許細胞徑向膨脹，形成更大的橫截面產(chǎn)生推力穿透土壤。這種差異化的細胞壁重塑策略讓根系既能產(chǎn)生足夠的推力推開板結(jié)土壤，又能維持結(jié)構(gòu)的完整性。
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"，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(jié)層。
圖2.根“厚表皮-薄皮層”適應(yīng)板結(jié)土壤的力學模型
該項研究首次從細胞壁力學角度揭示了植物根系應(yīng)對土壤板結(jié)的生物學原理，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，通過優(yōu)化不同細胞層的材料特性，設(shè)計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，更為未來作物設(shè)計開辟了新維度?；?厚表皮—薄皮層"模型，育種家可以像工程師設(shè)計建筑那樣，精準調(diào)控不同細胞層的細胞壁特性，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)機械化帶來的土壤板結(jié)問題，更好地應(yīng)對氣候變化導致的土壤退化挑戰(zhàn)。同時也可以擴大板結(jié)土壤的利用率，維護作物產(chǎn)量安全。
本研究由上海交通大學生命科學技術(shù)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后張姣為論文第一作者。上海交通大學生命科學技術(shù)學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、英國諾丁漢大學Malcolm J. Bennett教授和Osvaldo Chara教授、杜克大學Philip Benfey教授指導的博士后朱明原、以及上海交通大學劉增禹、曲卓、薛飛揚、石今、李敬彬、單齊冀、余婭等老師等均對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、推進及完成的全過程中給予的悉心指導。
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