Science | 诺丁汉大学和张大兵团队揭示植物根部通过限制乙烯扩散来感知土壤压实度！

土壤压实是现代农业的一项重大挑战。土壤压实通过减少土壤上层和土壤深层的根系渗透而影响全球作物种植。现代农业实践加剧了土壤压实，这主要是由于作业强度的提高导致部署了更重型的机械和耕作方法，从而在全球范围内严重破坏了约6500万公顷的土地。压实增加了土壤的容重，降低了土壤的孔隙度，限制了水和养分的供应和运输。很难在密实的土壤上打铁锹，而在密实的土壤中生长时，植物的根部似乎也有同样的问题。直觉上认为压实通过限制根部穿透较硬土壤的能力来减少根部生长。土壤孔隙空间的减少，尤其是在大的空气孔隙中，也限制了根与根际之间气体的扩散（Science重磅 | 北卡教堂山分校和诺丁汉大学研究揭示微生物改变植物根系通透性！）。为了处理压实的土壤并穿透裂缝，据报道，根部经历了适应性生长反应，包括根部尖端的径向扩展。然而，根的主要反应是停止生长，其机理基础尚不清楚。

2021年1月15日，国际顶级学术期刊Science发表了英国诺丁汉大学Malcolm J. Bennett和上海交通大学张大兵团队的最新相关研究成果，题为Plant roots sense soil compaction through restricted ethylene diffusion的研究论文。Pandey等人发现问题并不在于物理阻力，而是通过信号传导途径抑制了生长。挥发性植物激素乙烯会在通气土壤中扩散，但压实的土壤会减少这种扩散，从而增加根部组织附近的乙烯浓度。乙烯过多触发的细胞信号传导级联会阻止根生长。因此，气态扩散可作为土壤密实度的一种读数，用于植物根部生长以寻找生产性营养。

本研究中，科研人员报告说，挥发性激素乙烯会积极抑制压实土壤中的根生长。科研人员发现对乙烯不敏感的突变拟南芥和水稻根部比野生型根部更有效地渗透到土壤中。科研人员的结果表明，土壤压实通过减少充满空气的孔隙降低了气体扩散，从而导致乙烯在根组织中蓄积并触发激素反应，从而限制了生长。科研人员提出乙烯作为根系的早期预警信号，以避免压实土壤，这将对研究培育抗土壤压实的农作物具有重要意义。

图1 土壤压实减少了较大的孔隙，并触发了模拟乙烯处理的根部生长响应

图2 破坏水稻中的乙烯反应使根系对紧实的土壤具有抗性

图3 压实的土壤减少了乙烯的扩散并增强了根部乙烯信号

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