來(lái)源：澎湃新聞資深記者 鄒佳雯、雙一流高教

上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院張大兵逝世已逾兩年。

2025年11月27日，澎湃新聞?dòng)浾邚纳虾＝煌ù髮W(xué)獲悉，張大兵團(tuán)隊(duì)參與的研究成果近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。

近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院張大兵和梁婉琪教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合丹麥哥本哈根大學(xué)Staffan Persson教授團(tuán)隊(duì)、英國(guó)諾丁漢大學(xué)Malcolm J. Bennett教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表文章。 上海交通大學(xué) 供圖

植物如何用“以柔克剛”突圍板結(jié)土壤？近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院張大兵和梁婉琪教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合丹麥哥本哈根大學(xué)Staffan Persson教授團(tuán)隊(duì)、英國(guó)諾丁漢大學(xué)Malcolm J. Bennett教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表題為“Ethylene modulates cell wall mechanics for root responses to compaction”的最新研究，首次揭示了植物根系利用工程學(xué)原理適應(yīng)板結(jié)土壤：通過(guò)主動(dòng)響應(yīng)積累的乙烯，精細(xì)調(diào)控細(xì)胞壁厚度，從而促進(jìn)根系增粗，提高穿透能力以適應(yīng)土壤板結(jié)。

細(xì)胞壁作為植物獨(dú)有的結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的力學(xué)特性，是支撐植物抵御脅迫環(huán)境的重要武裝之一。而在地下，看似柔軟的植物根系中，細(xì)胞壁又是如何兼顧保護(hù)性和可塑性，幫助其對(duì)抗土壤的阻力不斷生長(zhǎng)的？早期研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)根系遇到板結(jié)土壤時(shí)，會(huì)發(fā)生徑向膨脹增粗，這種適應(yīng)性反應(yīng)主要由皮層細(xì)胞層擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)。研究推測(cè)，皮層細(xì)胞膨脹的過(guò)程主要通過(guò)增大細(xì)胞壁的彈性來(lái)實(shí)現(xiàn)。那么，植物是如何響應(yīng)土壤硬度來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)自身細(xì)胞壁的塑性來(lái)幫助根系穿透板結(jié)土壤的呢？

纖維素是植物細(xì)胞壁的“鋼筋”，通常被認(rèn)為越多越強(qiáng)壯。然而，研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)卻顛覆了這一認(rèn)知：當(dāng)用低濃度纖維素合成抑制劑處理水稻時(shí)，根系在板結(jié)土壤中的穿透能力不降反升。為了驗(yàn)證這一反常現(xiàn)象，團(tuán)隊(duì)利用基因編輯技術(shù)敲除了纖維素合成酶基因OsCESA6，獲得cesa6突變體。CT成像顯示，cesa6突變體在板結(jié)土壤中比正常水稻穿透力更強(qiáng)，且這種“超能力”僅在板結(jié)條件下顯現(xiàn)。這揭示纖維素合成的精密調(diào)控是影響植物根穿透板結(jié)土壤的關(guān)鍵因素。

那么，是誰(shuí)在調(diào)控纖維素合成的速度，以維持對(duì)植物生長(zhǎng)的最有利條件？研究團(tuán)隊(duì)從上千個(gè)水稻基因中找到了關(guān)鍵調(diào)控因子OsARF1。當(dāng)根系遇到板結(jié)土壤時(shí)，土壤中積累的氣體激素乙烯會(huì)激活OsARF1，使其從根系中心擴(kuò)散到皮層細(xì)胞，抑制纖維素合成酶基因的表達(dá)，最終導(dǎo)致皮層細(xì)胞壁變薄變軟，根系得以徑向膨脹變粗。通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)缺失OsARF1的突變體根系纖細(xì)、無(wú)法膨脹；過(guò)量表達(dá)OsARF1的植株根系粗壯、穿透力強(qiáng)。以上證明了乙烯-OsARF1-纖維素合成酶這條調(diào)控鏈路，正是植物應(yīng)對(duì)土壤板結(jié)的關(guān)鍵策略。

為什么降低纖維素反而能幫助穿透板結(jié)土壤？這個(gè)看似矛盾的現(xiàn)象背后，隱藏著植物根系令人驚嘆的“工程學(xué)智慧”。研究團(tuán)隊(duì)首次揭示了水稻根系應(yīng)對(duì)板結(jié)土壤的精妙策略——“厚表皮-薄皮層”模型。

在工程學(xué)中，管道設(shè)計(jì)遵循這樣的原則：當(dāng)管道內(nèi)部承受相同壓力時(shí)，管徑越大，所需的壁厚就越厚才能維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。植物根系巧妙地應(yīng)用了這一原理：表皮細(xì)胞的細(xì)胞壁增厚變硬，像“盔甲”一樣提供堅(jiān)固的外層保護(hù)；皮層細(xì)胞孔徑大，細(xì)胞壁變薄變軟，允許細(xì)胞徑向膨脹，形成更大的橫截面產(chǎn)生推力穿透土壤。這種差異化的細(xì)胞壁重塑策略讓根系既能產(chǎn)生足夠的推力推開(kāi)板結(jié)土壤，又能維持結(jié)構(gòu)的完整性。此后，團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一機(jī)制的精確性。

該項(xiàng)研究首次從細(xì)胞壁力學(xué)角度揭示了植物根系應(yīng)對(duì)土壤板結(jié)的生物學(xué)原理，讓人看到了隱藏在地下、不為人知的植物智慧——它們像工程師一樣，通過(guò)優(yōu)化不同細(xì)胞層的材料特性，設(shè)計(jì)出最適合地下生存的結(jié)構(gòu)方案。該研究不僅破解了植物適應(yīng)逆境的分子密碼，更為未來(lái)作物設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新維度?；凇昂癖砥?薄皮層”模型，育種家可以像工程師設(shè)計(jì)建筑那樣，精準(zhǔn)調(diào)控不同細(xì)胞層的細(xì)胞壁特性，培育出具有最優(yōu)土壤穿透能力的根系，從而減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械化帶來(lái)的土壤板結(jié)問(wèn)題，更好地應(yīng)對(duì)氣候變化導(dǎo)致的土壤退化挑戰(zhàn)。同時(shí)也可以擴(kuò)大板結(jié)土壤的利用率，維護(hù)作物產(chǎn)量安全。

該研究由上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院梁婉琪教授，英國(guó)諾丁漢大學(xué)Bipin K. Pandey研究員，丹麥哥本哈根大學(xué)教授、上海交通大學(xué)訪問(wèn)特聘教授Staffan Persson擔(dān)任共同通訊作者。上海交通大學(xué)梁婉琪和張大兵教授指導(dǎo)的博士后張姣為論文第一作者。

張大兵。上海交大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院官網(wǎng)圖

據(jù)上海交大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院官網(wǎng)介紹，張大兵，1967年7月出生于江蘇省淮陰縣，中國(guó)共產(chǎn)黨黨員、著名植物學(xué)家，于2023年6月22日遭遇重大交通事故，經(jīng)搶救無(wú)效不幸逝世，享年56歲。張大兵曾于2010年1月至2018年7月，任生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)。張大兵長(zhǎng)期從事植物發(fā)育生物學(xué)和轉(zhuǎn)基因生物安全領(lǐng)域研究，作為我國(guó)著名植物學(xué)家、發(fā)育生物學(xué)科的領(lǐng)軍人才，張大兵教授將他短暫的一生都奉獻(xiàn)給了教育科研事業(yè)，也為學(xué)校生命學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

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