Science：突破！阐明植物根系响应外界土壤硬度的机制

来源：iNature

2021年1月15日，英国诺丁汉大学Malcolm Bennett及上海交通大学张大兵共同通讯在Science 在线发表题为”Plant roots sense soil compaction through restricted ethylene diffusion“的研究论文，该研究通过建立不同硬度的土壤体系，发现了水稻根系在硬度较大的土壤内生长受阻，根系变短、增粗。通过深入研究发现土壤孔隙的多少是决定疏松土壤和坚硬土壤关键点。围绕疏松土壤和坚硬土壤的特点，该研究进行了一系列探索，特别是利用细胞生物学、遗传学、化学等实验手段证实了高硬度的土壤可通过限制植物本身产生的乙烯扩散，导致乙烯积聚在根系周围，抑制了植物根系的生长，实现对外界土壤硬度的响应。

另外，植物这种适应土壤硬度的机制在水稻、玉米以及拟南芥等不同物种中具有很强的保守性。这项新发现阐明了植物如何积极响应外界土壤硬度的机制，为分子设计育种打开了新思路。

伴随着世界人口的急剧增长，人类对粮食的需求量不断激增，无机化学肥料的使用量逐年增加，导致土壤的硬度变大，土壤板结以及透气性变差。植物在硬度较大的土壤中生长，生长变差、产量降低。因此，人类在作物种植前，不得不进行耕地松土，消耗大量的资源。如何培育能够适应不同硬度土壤的作物新品种，是一个亟待解决的问题。

自1854年起，科学家为了探究植物对外界土壤硬度响应的机制，进行了大量的研究，主要的观点认为植物对外界土壤的响应是一个被动过程，是由土壤的机械硬度决定植物根系的生长情况。因此，人们认为培育能够适应不同硬度土壤的作物新品种是一个遥不可及的目标。

这项工作首先通过建立不同硬度的土壤体系，发现了水稻根系在硬度较大的土壤内生长受阻，根系变短、增粗。通过深入研究发现土壤孔隙的多少是决定疏松土壤和坚硬土壤关键点。围绕疏松土壤和坚硬土壤的特点，科学家们进行了一系列探索，特别是利用细胞生物学、遗传学、化学等实验手段证实了高硬度的土壤可通过限制植物本身产生的乙烯扩散，导致乙烯积聚在根系周围，抑制了植物根系的生长，实现对外界土壤硬度的响应。

另外，植物这种适应土壤硬度的机制在水稻、玉米以及拟南芥等不同物种中具有很强的保守性。这项新发现阐明了植物如何积极响应外界土壤硬度的机制，为分子设计育种打开了新思路。