去世两年后，上海交大教授论文登上Nature

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

现代农业中，大型耕作机械的挤压会导致耕作层下的土壤硬化，并在化肥的过度使用和全球气候变化的影响下进一步加剧，使得土壤板结成为全球性难题。

统计结果显示，土壤板结叠加干旱胁迫导致的作物减产可高达 75%。这是因为板结的土壤颗粒密度大而孔隙度小，严重阻碍了作物根系生长。因此，为提高作为生存能力，从而保证粮食产量，需要人工培育出根系穿透能力强的作物品种来“协助”植物渡过难关。

2025 年 11 月 26 日，上海交通大学张大兵教授、梁婉琪教授团队联合上海交通大学/哥本哈根大学Staffan Persson教授及诺丁汉大学Malcolm J. Bennett教授团队（张大兵和梁婉琪教授指导的博士后张姣为论文第一作者），在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Ethylene modulates cell wall mechanics for root responses to compaction 的研究论文。

该研究首次揭示了植物根系利用工程学原理适应板结土壤：通过主动响应积累的乙烯，精细调控细胞壁厚度，从而促进根系增粗，提高穿透能力以适应土壤板结。

张大兵，1967 年 7 月出生于江苏省淮阴县，长期从事植物发育生物学和转基因生物安全领域研究，为我国著名植物学家、发育生物学科领军人才，曾任上海交通大学生命科学技术学院副院长，于 2023 年 6 月 22 日遭遇重大交通事故，经抢救无效不幸逝世。

现代农业对机械化的依赖导致了土壤退化和板结，这影响了植物根系生长和作物产量。当植物根系遇到板结的土壤条件时，会径向扩张，导致根系变短变粗。这种径向根系膨胀主要是由于皮层细胞层的扩张，这可能会导致土壤裂缝，从而有助于根系穿透土壤。这种适应性响应是由根系周围的气体激素乙烯的积聚所驱动的，因为板结会减少土壤中的气体扩散。尽管有了这种机制上的认识，但乙烯究竟如何控制细胞壁重塑以实现根系的径向扩张，目前仍不清楚。

植物的初生细胞壁，尤其是承重聚合物纤维素的组织形式和含量，支持着细胞的各向异性生长，对器官生长至关重要。纤维素在质膜上由被称为CESA 复合体（CSC）的大分子多聚体蛋白复合物生成。在水稻中，OsCESA1、OsCESA3、OsCESA5、OsCESA6 和 OsCESA8 形成异三聚体 CSC，在根细胞生长期间参与初生细胞壁的合成。当根部遇到土壤板结时，其皮层细胞壁中纤维素微纤丝的排列会发生改变。尽管细胞壁的机械刚度对于细胞的各向异性生长至关重要，但对于细胞壁特性如何调控根系在板结土壤中的穿透力，仍知之甚少。

在这项最新研究中，研究团队对水稻进行了研究，报告了植物激素乙烯如何控制细胞壁生物合成以促进根系的径向扩张，证明了土壤板结导致乙烯积累，上调水稻根系皮层中的生长素反应因子-1（OsARF1），从而抑制纤维素合成酶（CESA）基因的表达。CESA 的抑制， 会导致皮层细胞壁变薄变软，驱动根系皮层细胞的径向扩张，使得根系得以径向膨胀变粗、穿透力增强。

更厚的表皮、更薄的皮层细胞壁，有助于水稻根系适应土壤板结

该研究将乙烯信号转导与根系细胞壁重塑联系起来，并揭示了纤维素合成的动态调控如何控制板结土壤中的根系生长，从而提出乙烯-OsARF1-纤维素合成酶调控链路是植物应对土壤板结的关键策略。

真的是，该项研究首次从细胞壁力学角度揭示了植物根系应对土壤板结的生物学原理，不仅破解了植物适应逆境的分子密码，也为未来作物设计开辟了新维度——通过精准调控不同细胞层的细胞壁特性，培育出具有更好良好的土壤板结适应能力根系的作物奠定了基础。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09765-7