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现代农业中，大型耕作机械的挤压会导致耕作层下的土壤硬化，并在化肥的过度使用和全球气候变化的影响下进一步加剧，使得土壤板结已成为全球性难题。统计结果显示土壤板结叠加干旱胁迫导致的减产可高达75%。这是因为板结的土壤颗粒密度大而孔隙度小，严重阻碍了作物的根系生长。因此，为提高作为生存能力，从而保证粮食产量，需要人工培育根系穿透能力强的作物品种来“协助”植物渡过难关。
近日，上海交通大学生命科学技术学院张大兵和梁婉琪教授团队联合丹麦哥本哈根大学Staffan Persson教授团队、英国诺丁汉大学Malcolm J. Bennett教授团队在国际学术期刊《自然》(Nature)上发表题为“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学原理适应板结土壤：通过主动响应积累的乙烯，精细调控细胞壁厚度，从而促进根系增粗，提高穿透能力以适应土壤板结。
“乙烯—OsARF1”精密调控纤维素合成，助力根系突破板结土壤
纤维素是植物细胞壁的"钢筋"，通常被认为越多越强壮。然而，研究团队的发现却颠覆了这一认知：当用低浓度纤维素合成抑制剂处理水稻时，根系在板结土壤中的穿透能力不降反升!为了验证这一反常现象，团队利用基因编辑技术敲除了纤维素合成酶基因OsCESA6，获得cesa6突变体。CT成像显示，cesa6突变体在板结土壤中比正常水稻穿透力更强，且这种"超能力"仅在板结条件下显现。这揭示纤维素合成的精密调控是影响植物根穿透板结土壤的关键因素。
那么，是谁在调控纤维素合成的速度，以维持对植物生长的最有利条件呢？研究团队从上千个水稻基因中找到了关键调控因子OsARF1。当根系遇到板结土壤时，土壤中积累的气体激素乙烯会激活OsARF1，使其从根系中心扩散到皮层细胞，抑制纤维素合成酶基因的表达，最终导致皮层细胞壁变薄变软，根系得以径向膨胀变粗。并通过进一步实验验证，发现缺失OsARF1的突变体根系纤细、无法膨胀；过量表达OsARF1的植株根系粗壮、穿透力强。以上证明了乙烯-OsARF1-纤维素合成酶这条调控链路，正是植物应对土壤板结的关键策略。
图1.水稻根适应板结土壤的调控机制
"厚表皮-薄皮层"——植物利用工程学原理突破板结土壤
为什么降低纤维素反而能帮助穿透板结土壤？这个看似矛盾的现象背后，隐藏着植物根系令人惊叹的"工程学智慧"。研究团队首次揭示了水稻根系应对板结土壤的精妙策略——"厚表皮-薄皮层"模型。
在工程学中，管道设计遵循这样的原则：当管道内部承受相同压力时，管径越大，所需的壁厚就越厚才能维持结构稳定性。植物根系巧妙地应用了这一原理：表皮细胞的细胞壁增厚变硬，像"盔甲"一样提供坚固的外层保护；皮层细胞孔径大，细胞壁变薄变软，允许细胞径向膨胀，形成更大的横截面产生推力穿透土壤。这种差异化的细胞壁重塑策略让根系既能产生足够的推力推开板结土壤，又能维持结构的完整性。
实验验证了这一机制的精确性：缺失OsARF1的突变体(arf1-1)皮层细胞壁始终"厚重"，无法膨胀；而过量表达OsARF1(OE-ARF1)和纤维素合成酶突变体(cesa6)则形成"薄软"皮层，可自由膨胀穿透板结层。
图2.根“厚表皮-薄皮层”适应板结土壤的力学模型
该项研究首次从细胞壁力学角度揭示了植物根系应对土壤板结的生物学原理，让我们看到了隐藏在地下、不为人知的植物智慧——它们像工程师一样，通过优化不同细胞层的材料特性，设计出最适合地下生存的结构方案。该研究不仅破解了植物适应逆境的分子密码，更为未来作物设计开辟了新维度。基于"厚表皮—薄皮层"模型，育种家可以像工程师设计建筑那样，精准调控不同细胞层的细胞壁特性，培育出具有最优土壤穿透能力的根系，从而减轻农业机械化带来的土壤板结问题，更好地应对气候变化导致的土壤退化挑战。同时也可以扩大板结土壤的利用率，维护作物产量安全。
本研究由上海交通大学生命科学技术学院梁婉琪教授，英国诺丁汉大学Bipin K. Pandey研究员，丹麦哥本哈根大学教授、上海交通大学访问特聘教授Staffan Persson担任共同通讯作者。上海交通大学梁婉琪和张大兵教授指导的博士后张姣为论文第一作者。上海交通大学生命科学技术学院吕晖教授及其博士生李旻昊、日本产业技术综合研究所Nobutaka Mitsuda教授和Shingo Sakamoto博士、英国诺丁汉大学Malcolm J. Bennett教授和Osvaldo Chara教授、杜克大学Philip Benfey教授指导的博士后朱明原、以及上海交通大学刘增禹、曲卓、薛飞扬、石今、李敬彬、单齐冀、余娅等老师等均对本工作提供了重要帮助。
特别感谢张大兵教授在本课题的策划、推进及完成的全过程中给予的悉心指导。
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