图 植物根系应对土壤板结的细胞壁力学调控机制
在国家自然科学基金项目（批准号：32130006）等资助下，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上海交通大学生命科学技术学院访问特聘教授、丹麦哥本哈根大学Staffan Persson教授、英国诺丁汉大学Malcolm J. Bennett教授团队，通过高分辨率细胞壁力学分析和分子遗传学研究，揭示了植物根系感知到土壤板结促发的乙烯信号后，差异化调节不同细胞层的纤维素合成，形成"厚表皮-薄皮层"的细胞壁力学结构，从而增强根系穿透板结土壤能力的精细调控机制。研究成果以"乙烯调控细胞壁力学促进根系响应土壤板结（Ethylene modulates cell wall mechanics for root responses to compaction）"为题，于2025年11月26日在《自然》（Nature）上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09765-7。
土壤板结是由大型耕作机械挤压、化肥过度使用和全球气候变化共同导致的全球性农业问题。板结土壤颗粒密度大而孔隙度小，严重阻碍作物根系生长，叠加干旱胁迫可导致作物减产高达75%。早期研究发现，当根系遇到板结土壤时会发生径向膨胀增粗，这种适应性反应主要由皮层细胞层扩张驱动。然而，植物如何响应土壤板结并动态调节细胞壁的力学性质以增强根系穿透能力，其分子机制尚不清楚。该研究发现，当根系遇到板结土壤时，土壤孔隙度降低导致气体激素乙烯积累。积累的乙烯激活生长素响应因子OsARF1的表达，OsARF1从根系中心扩散到皮层细胞，结合并抑制纤维素合成酶基因OsCESAs的表达，使皮层细胞壁变薄变软，促进根系径向膨胀变粗。研究证实，OsARF1位于乙烯信号通路下游，是连接乙烯信号与纤维素合成调控的关键节点，乙烯-OsARF1-纤维素合成酶构成了植物应对土壤板结的核心调控通路。
更为重要的是，该研究还揭示了水稻根系应对板结土壤的"厚表皮-薄皮层"生物力学模型。在板结条件下，表皮细胞壁增厚变硬，提供坚固的外层保护；皮层细胞壁变薄变软，允许细胞径向膨胀形成更大横截面，从而产生推力。这种差异化的细胞壁重塑策略使根系既能产生足够推力穿透板结土壤，又能维持结构完整性，与工程学中的压力容器设计原理相契合，体现了植物在漫长进化过程中形成的精妙适应策略。
该研究从细胞壁力学角度系统阐明了植物根系应对土壤板结的分子机制，为培育具有最优土壤穿透能力的作物品种提供了理论基础和分子靶点，对减轻农业机械化带来的土壤板结问题、应对气候变化导致的土壤退化挑战、提高板结土壤利用率和维护粮食产量安全具有重要意义。