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(yīng)外界土壤硬度的機(jī)制
近日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Science在線發(fā)表了植物根系響應(yīng)外界土壤硬度機(jī)制的研究工作。該項(xiàng)研究由上海交通大學(xué)張大兵教授和英國(guó)諾丁漢大學(xué)Malcolm Bennett教授研究組合作，經(jīng)過(guò)近7年的聯(lián)合攻關(guān)，闡明了植物如何響應(yīng)外界土壤硬度的機(jī)制，為未來(lái)培育適應(yīng)不同土壤硬度的作物新品種提供了重要的理論基礎(chǔ)。上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院張大兵教授為共同通訊作者，上海交通大學(xué)博士后黃國(guó)強(qiáng)為共同第一作者。來(lái)自荷蘭、法國(guó)、瑞典、捷克以及美國(guó)科研工作者也為這項(xiàng)研究做出了重要貢獻(xiàn)。
伴隨著世界人口的急劇增長(zhǎng)，人類對(duì)糧食的需求量不斷激增，無(wú)機(jī)化學(xué)肥料的使用量逐年增加，導(dǎo)致土壤的硬度變大，土壤板結(jié)以及透氣性變差（圖1）。植物在硬度較大的土壤中生長(zhǎng)，生長(zhǎng)變差、產(chǎn)量降低。因此，人類在作物種植前，不得不進(jìn)行耕地松土，消耗大量的資源。如何培育能夠適應(yīng)不同硬度土壤的作物新品種，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
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圖1 疏松土壤和堅(jiān)硬土壤的區(qū)別
(A)疏松土壤內(nèi)部掃描立體結(jié)構(gòu)圖，充斥著較多的孔隙（藍(lán)色區(qū)域）；(B)堅(jiān)硬土壤內(nèi)部掃描立體結(jié)構(gòu)圖，孔隙數(shù)目顯著低于疏松土壤。
自1854年起，科學(xué)家為了探究植物對(duì)外界土壤硬度響應(yīng)的機(jī)制，進(jìn)行了大量的研究，主要的觀點(diǎn)認(rèn)為植物對(duì)外界土壤的響應(yīng)是一個(gè)被動(dòng)過(guò)程，是由土壤的機(jī)械硬度決定植物根系的生長(zhǎng)情況。因此，人們認(rèn)為培育能夠適應(yīng)不同硬度土壤的作物新品種是一個(gè)遙不可及的目標(biāo)。
這項(xiàng)工作首先通過(guò)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(zhǎng)受阻，根系變短、增粗。通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)土壤孔隙的多少是決定疏松土壤和堅(jiān)硬土壤關(guān)鍵點(diǎn)。圍繞疏松土壤和堅(jiān)硬土壤的特點(diǎn)，科學(xué)家們進(jìn)行了一系列探索，特別是利用細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)手段證實(shí)了高硬度的土壤可通過(guò)限制植物本身產(chǎn)生的乙烯擴(kuò)散，導(dǎo)致乙烯積聚在根系周圍，抑制了植物根系的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界土壤硬度的響應(yīng)（如圖2）。另外，植物這種適應(yīng)土壤硬度的機(jī)制在水稻、玉米以及擬南芥等不同物種中具有很強(qiáng)的保守性。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)闡明了植物如何積極響應(yīng)外界土壤硬度的機(jī)制，為分子設(shè)計(jì)育種打開了新思路。
圖2工作模型
(A)水稻生長(zhǎng)在疏松土壤內(nèi)部；(B)水稻生長(zhǎng)在堅(jiān)硬土壤內(nèi)部。
該工作得到了國(guó)家重大研究計(jì)劃（2016YFD0100804和2016YFE0101000）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31970803和31861163002）、中國(guó)博士后科學(xué)基金（2019M661486）以及上海超級(jí)博后（2018063）的經(jīng)費(fèi)資助。
全文鏈接：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abf3013
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