去世兩年后，上海交大教授論文登上Nature

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一步加劇，使得土壤板結(jié)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(dǎo)致的作物減產(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，上海交通大學張大兵教授、梁婉琪教授團隊聯(lián)合上海交通大學/哥本哈根大學Staffan Persson教授及諾丁漢大學Malcolm J. Bennett教授團隊（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)。

張大兵，1967 年 7 月出生于江蘇省淮陰縣，長期從事植物發(fā)育生物學和轉(zhuǎn)基因生物安全領(lǐng)域研究，為我國著名植物學家、發(fā)育生物學科領(lǐng)軍人才，曾任上海交通大學生命科學技術(shù)學院副院長，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。當植物根系遇到板結(jié)的土壤條件時，會徑向擴張，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胞層的擴張，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，因為板結(jié)會減少土壤中的氣體擴散。盡管有了這種機制上的認識，但乙烯究竟如何控制細胞壁重塑以實現(xiàn)根系的徑向擴張，目前仍不清楚。

植物的初生細胞壁，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，在根細胞生長期間參與初生細胞壁的合成。當根部遇到土壤板結(jié)時，其皮層細胞壁中纖維素微纖絲的排列會發(fā)生改變。盡管細胞壁的機械剛度對于細胞的各向異性生長至關(guān)重要，但對于細胞壁特性如何調(diào)控根系在板結(jié)土壤中的穿透力，仍知之甚少。

在這項最新研究中，研究團隊對水稻進行了研究，報告了植物激素乙烯如何控制細胞壁生物合成以促進根系的徑向擴張，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。CESA 的抑制， 會導(dǎo)致皮層細胞壁變薄變軟，驅(qū)動根系皮層細胞的徑向擴張，使得根系得以徑向膨脹變粗、穿透力增強。

更厚的表皮、更薄的皮層細胞壁，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，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)計開辟了新維度——通過精準調(diào)控不同細胞層的細胞壁特性，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