南大校友、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26日，從上海交通大學(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《Nature》上發(fā)表。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，大型耕作機(jī)械的擠壓會(huì)導(dǎo)致耕作層下的土壤硬化，并在化肥的過(guò)度使用和全球氣候變化的影響下進(jìn)一步加劇，使得土壤板結(jié)已成為全球性難題。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示土壤板結(jié)疊加干旱脅迫導(dǎo)致的減產(chǎn)可高達(dá)75%。這是因?yàn)榘褰Y(jié)的土壤顆粒密度大而孔隙度小，嚴(yán)重阻礙了作物的根系生長(zhǎng)。因此，為提高作物生存能力，從而保證糧食產(chǎn)量，需要人工培育根系穿透能力強(qiáng)的作物品種來(lái)“協(xié)助”植物渡過(guò)難關(guān)。

11月26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》（Nature）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)。

“乙烯—OsARF1”精密調(diào)控纖維素合成，

助力根系突破板結(jié)土壤

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)的最有利條件呢？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。并通過(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。

圖1.水稻根適應(yīng)板結(jié)土壤的調(diào)控機(jī)制

"厚表皮-薄皮層"

——植物利用工程學(xué)原理突破板結(jié)土壤

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。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一機(jī)制的精確性：缺失OsARF1的突變體（arf1-1）皮層細(xì)胞壁始終"厚重"，無(wú)法膨脹；而過(guò)量表達(dá)OsARF1（OE-ARF1）和纖維素合成酶突變體（cesa6）則形成"薄軟"皮層，可自由膨脹穿透板結(jié)層。

圖2.根“厚表皮-薄皮層”適應(yīng)板結(jié)土壤的力學(xué)模型

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，讓我們看到了隱藏在地下、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?；?厚表皮—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。

本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。上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院呂暉教授及其博士生李旻昊、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所Nobutaka Mitsuda教授和Shingo Sakamoto博士、英國(guó)諾丁漢大學(xué)Malcolm J. Bennett教授和Osvaldo Chara教授、杜克大學(xué)Philip Benfey教授指導(dǎo)的博士后朱明原，以及上海交通大學(xué)劉增禹、曲卓、薛飛揚(yáng)、石今、李敬彬、單齊冀、余婭等老師等均對(duì)本工作提供了重要幫助。

深切緬懷張大兵教授

中國(guó)共產(chǎn)黨黨員、著名植物學(xué)家、教育部長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者、上海交通大學(xué)講席教授張大兵同志于2023年6月22日不幸逝世，享年56歲。

張大兵同志1967年7月出生于江蘇省淮陰縣，1994年獲南京大學(xué)碩士學(xué)位后進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所（現(xiàn)中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心）繼續(xù)深造，1998年獲博士學(xué)位。1998年至2005年，在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物測(cè)試中心及生物技術(shù)研究中心，任助理研究員、副研究員、研究員。2005年8月進(jìn)入上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院工作，任教授，2015年被聘為上海交通大學(xué)講席教授。其間，2005年8月至2010年1月，任生物科學(xué)與技術(shù)系主任；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)。

作為我國(guó)著名植物學(xué)家、發(fā)育生物學(xué)科的著名領(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)。他長(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，上下求索、精勤不倦，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，潛心科研攻關(guān)，引領(lǐng)著植物科學(xué)領(lǐng)域的前沿發(fā)展；他精研樂(lè)教，傳知授業(yè)，獎(jiǎng)掖后學(xué)，桃李天下，教育培養(yǎng)了一批又一批優(yōu)秀學(xué)子；他悉心愛(ài)護(hù)、精心培養(yǎng)青年人才，培育了一批具有卓越創(chuàng)新能力的青年學(xué)者；他廣泛拓展國(guó)際交流合作，推動(dòng)成立了教育部代謝與發(fā)育科學(xué)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，建立了“植物生殖發(fā)育系統(tǒng)生物學(xué)創(chuàng)新引智基地”。為我校生命學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

張大兵教授為人敦厚真誠(chéng)，謙和友善，樂(lè)善好施不圖報(bào)，淡泊明志謙如水。他投身生命科學(xué)事業(yè)三十余載，始終心系教書(shū)育人事業(yè)、心系交大，是一名有理想信念、有道德情操、有扎實(shí)學(xué)識(shí)、有仁愛(ài)之心的“四有”好老師的典范。受到學(xué)界同仁、同事、學(xué)生的高度贊揚(yáng)和愛(ài)戴。他的知識(shí)和學(xué)識(shí)、精神和德行影響著一批人。與其交談，如沐春風(fēng)，獲益良多。

張大兵教授是一位忠誠(chéng)的共產(chǎn)黨員。他曾在入黨申請(qǐng)書(shū)中寫(xiě)道：“很小的時(shí)候，我就立志將來(lái)做個(gè)好人，做對(duì)他人有益的事，幫助那些有困難的人?！睆埓蟊淌谑冀K堅(jiān)守初心與使命，堅(jiān)持以人民為中心，以科技報(bào)國(guó)為己任，勇于創(chuàng)新，追求卓越，為我國(guó)農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。

張大兵教授熱愛(ài)祖國(guó)、淡泊名利、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、學(xué)識(shí)淵博，把畢生精力獻(xiàn)給了黨和人民的偉大教育事業(yè)。他的不幸逝世是我國(guó)生物學(xué)界的重大損失!

仙人已過(guò)蓬萊閣，德范猶香啟后人。張大兵教授勇于探索、開(kāi)拓創(chuàng)新的精神將嘉惠學(xué)林、垂范后學(xué)；他高風(fēng)亮節(jié)、潤(rùn)物無(wú)聲的師者風(fēng)范將萬(wàn)古長(zhǎng)青！

我們沉痛悼念并深切緬懷張大兵教授！

張大兵教授千古！

編輯、審核：石瑾鵬

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