【Science】首次发现！植物如何在夹缝中生存？

2021年1月15日，Science杂志在线发表了来自英国诺丁汉大学Malcolm J. Bennett课题组和上海交通大学张大兵课题组合作题为“Plant roots sense soil compaction through restrictedethylene diffusion”的研究论文。该研究打破了以前认为坚硬的土壤是通过机械力阻止植物根部的生长的观念，揭示了土壤结块后减少空气填充的孔隙而降低了气体扩散，从而导致乙烯在根部组织中积累并触发激素反应，从而限制了根的生长，即植物的生长是通过自身的信号传导所致。

随着化肥的使用量逐年增加，导致土壤的硬度也在变大，土壤板结以及减少土壤孔隙率，限制水和营养物的可用性和输送，也限制了气体在根和根际之间的扩散，最终而影响全球作物的种植。因此，植物为了应对土壤板结和穿透裂缝，其根部会进行适应性生长反应。然而，根如何停止伸长的分子机制尚不清楚。

该研究假设是由于变硬的土壤中的土壤孔隙空间减少，影响气体激素乙烯的从根部向外扩散，使得根部外部的乙烯浓度会增加，即“受限气体扩散”模型。因此该研究首先用不透气的屏障覆盖根尖，发现根伸长区细胞核中EIN3-GFP的持续快速增加，说明了EIN3-GFP诱导是由于乙烯扩散受限而引起的。进一步实验观察到，在密实条件下，水稻根系显示根长减小，表皮细胞长度减少，皮层细胞直径增加，这与乙烯处理根后的表型是一致的。

该研究进一步证实乙烯在土壤压实过程中的功能重要性，研究了野生型水稻与乙烯不敏感突变体osein2和oseil1的根生长反应。结果显示在完全充满未压实土壤或高度压实土壤中，osein2和oseil1根都能够穿透高度致密的土壤，说明了乙烯信号传导对于在土壤压实时触发根生长响应至关重要。此外，该研究还在拟南芥中重复了该实验结果。

最后，该研究通过乙烯生物传感器，证实了土壤机械阻抗触发了根部组织中乙烯信号的增加。那土壤压实如何在根组织中诱导乙烯信号升高？该研究证实了在致密的土壤条件下，乙烯向外扩散速率会降低。这将导致靠近根部的乙烯浓度更高，因此在根细胞中，这与土壤致密化会触发乙烯反应。

综上所述，该研究揭示了根系如何调节对土壤硬度的生长响应。首先，结块的土壤对根系生长的抑制作用是通过乙烯信号传导而非简单地通过机械力触发的。其次，不是使用专用的机械感知机制，而是通过限制这种气态信号从植物细胞向土壤的扩散，从而使根部感觉土壤紧实，从而导致乙烯在根部扩展区细胞中积聚并抑制伸长的生长。第三，压实度和土壤水分状况似乎对根系伸长率有影响，这不仅是因为它们控制土壤强度，而且还通过调节乙烯的扩散。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/371/6526/276

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