Science | 上海交大張大兵課題組Science上合作發(fā)文闡明植物根系響應外界土壤硬度的機制
近日，國際頂級學術期刊Science在線發(fā)表了植物根系響應外界土壤硬度機制的研究工作。該項研究由上海交通大學張大兵教授和英國諾丁漢大學Malcolm Bennett教授研究組合作，經(jīng)過近7年的聯(lián)合攻關，闡明了植物如何響應外界土壤硬度的機制，為未來培育適應不同土壤硬度的作物新品種提供了重要的理論基礎。上海交通大學生命科學技術學院張大兵教授為共同通訊作者，上海交通大學博士后黃國強為共同第一作者。來自荷蘭、法國、瑞典、捷克以及美國科研工作者也為這項研究做出了重要貢獻。
伴隨著世界人口的急劇增長，人類對糧食的需求量不斷激增，無機化學肥料的使用量逐年增加，導致土壤的硬度變大，土壤板結以及透氣性變差（圖1）。植物在硬度較大的土壤中生長，生長變差、產(chǎn)量降低。因此，人類在作物種植前，不得不進行耕地松土，消耗大量的資源。如何培育能夠適應不同硬度土壤的作物新品種，是一個亟待解決的問題。
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圖1 疏松土壤和堅硬土壤的區(qū)別
(A)疏松土壤內(nèi)部掃描立體結構圖，充斥著較多的孔隙（藍色區(qū)域）；(B)堅硬土壤內(nèi)部掃描立體結構圖，孔隙數(shù)目顯著低于疏松土壤。
自1854年起，科學家為了探究植物對外界土壤硬度響應的機制，進行了大量的研究，主要的觀點認為植物對外界土壤的響應是一個被動過程，是由土壤的機械硬度決定植物根系的生長情況。因此，人們認為培育能夠適應不同硬度土壤的作物新品種是一個遙不可及的目標。
這項工作首先通過建立不同硬度的土壤體系，發(fā)現(xiàn)了水稻根系在硬度較大的土壤內(nèi)生長受阻，根系變短、增粗。通過深入研究發(fā)現(xiàn)土壤孔隙的多少是決定疏松土壤和堅硬土壤關鍵點。圍繞疏松土壤和堅硬土壤的特點，科學家們進行了一系列探索，特別是利用細胞生物學、遺傳學、化學等實驗手段證實了高硬度的土壤可通過限制植物本身產(chǎn)生的乙烯擴散，導致乙烯積聚在根系周圍，抑制了植物根系的生長，實現(xiàn)對外界土壤硬度的響應（如圖2）。另外，植物這種適應土壤硬度的機制在水稻、玉米以及擬南芥等不同物種中具有很強的保守性。這項新發(fā)現(xiàn)闡明了植物如何積極響應外界土壤硬度的機制，為分子設計育種打開了新思路。
圖2工作模型
(A)水稻生長在疏松土壤內(nèi)部；(B)水稻生長在堅硬土壤內(nèi)部。
該工作得到了國家重大研究計劃（2016YFD0100804和2016YFE0101000）、國家自然科學基金（31970803和31861163002）、中國博士后科學基金（2019M661486）以及上海超級博后（2018063）的經(jīng)費資助。
全文鏈接：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abf3013
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