近日，国际顶级学术期刊Science在线发表了植物根系响应外界土壤硬度机制的研究工作。该项研究由上海交通大学张大兵教授和英国诺丁汉大学Malcolm Bennett教授研究组合作，经过近7年的联合攻关，阐明了植物如何响应外界土壤硬度的机制，为未来培育适应不同土壤硬度的作物新品种提供了重要的理论基础。上海交通大学生命科学技术学院张大兵教授为共同通讯作者，上海交通大学博士后黄国强为共同第一作者。来自荷兰、法国、瑞典、捷克以及美国科研工作者也为这项研究做出了重要贡献。

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（图1）。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。

图1 疏松土壤和坚硬土壤的区别

(A)疏松土壤内部扫描立体结构图，充斥着较多的孔隙（蓝色区域）；(B)坚硬土壤内部扫描立体结构图，孔隙数目显著低于疏松土壤。

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（如图2）。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。

图2工作模型

(A)水稻生长在疏松土壤内部；(B)水稻生长在坚硬土壤内部。

该工作得到了国家重大研究计划（2016YFD0100804和2016YFE0101000）、国家自然科学基金（31970803和31861163002）、中国博士后科学基金（2019M661486）以及上海超级博后（2018063）的经费资助。

全文链接：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abf3013