上海交通大学访问特聘教授斯塔凡·佩尔松、上海交通大学教授梁婉琪团队与合作者，首次从细胞壁力学角度揭示了植物根系应对土壤板结的生物学原理，不仅破解了植物适应逆境的分子密码，更为未来作物设计开辟了新维度。11月26日，相关研究成果发表于《自然》。
现代农业中，大型耕作机械的挤压会导致耕作层下的土壤硬化，并在化肥过度使用和全球气候变化的影响下进一步加剧。当前土壤板结已成为全球性问题，统计结果显示，土壤板结叠加干旱胁迫导致的减产可高达75%。为提高作物生存能力，从而保证粮食产量，需要人工培育根系穿透能力强的作物品种来“协助”植物渡过难关。
研究团队发现，当用低浓度纤维素合成抑制剂处理水稻时，根系在板结土壤中的穿透能力不降反升。而以往认为，纤维素含量越多，植物根系“越强壮”。为验证此反常现象，研究团队利用基因编辑技术敲除了纤维素合成酶基因OsCESA6，构建了cesa6突变体。结果显示，cesa6突变体在板结土壤中比正常水稻穿透力更强，且这种“超能力”仅在板结条件下显现。
进一步地，研究团队从上千个水稻转录因子基因中找到了关键调控因子OsARF1，并通过系列实验证实了乙烯-OsARF1-纤维素合成酶调控链，是植物应对土壤板结的关键策略。
基于此发现，研究团队提出了水稻根系应对板结土壤的“厚表皮-薄皮层”模型。具体而言，植物根系表皮细胞的细胞壁增厚变硬，像“盔甲”一样提供坚固的外层保护；而占据根系主体体积的皮层细胞的细胞壁变薄变软，由此细胞可以径向膨胀，形成更大的横截面，从而产生推力穿透土壤。这种差异化的细胞壁重塑策略让根系既能产生足够的推力推开板结土壤，又能维持结构的完整性。
梁婉琪表示，基于“厚表皮-薄皮层”模型，育种家可以像工程师设计建筑那样，精准调控不同细胞层的细胞壁特性，培育出具有最优土壤穿透能力的根系，从而减轻农业机械化带来的土壤板结问题，更好地应对气候变化导致的土壤退化挑战。同时也可以扩大板结土壤的利用率，维护作物产量安全。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09765-7
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