最新观点 | 乙烯通过脱落酸和生长素介导的机制抑制土壤板结中水稻根系的伸长

作者：张天野、侯全璨

土壤板结是现代农业面临的一个重大挑战，土壤板结抑制根系伸长并影响产量。减轻土壤板结的方法有减少耕作以及底土管理等，然而这些方法实施成本高且耗时费力，并且对深层土壤无效。为了改善土壤板结对植物的根系生长的机械阻碍，利用分子生物学技术培育根系改良的作物是一种遗传上行之有效的解决方案。

近日，上海交通大学张大兵教授与英国诺丁汉大学Malcolm Bennett教授合作在国际著名期刊PNAS上发表了题为Ethylene inhibits rice root elongation in compacted soil via ABA- and auxin-mediated mechanisms的研究论文。该论文揭示了激素信号生长素和脱落酸（ABA）及其生物合成途径在水稻根系生长过程中对土壤板结的反应，以及作为乙烯反应途径调控靶点的关键作用。外源ABA处理促进根皮层细胞径向扩张，而生长素抑制根细胞伸长。此外还证明了ABA在响应土壤板结反应中作用于乙烯和生长素信号的下游，乙烯利用生长素和ABA作为下游信号来调节水稻根系伸长和径向膨胀，破坏根系穿透压实土壤的能力。

在之前的研究中发现，植物根系通过气态激素乙烯来感知土壤紧实，紧实的土壤限制了乙烯从根部向外扩散，触发了根系伸长的抑制，同时也促进了径向膨胀。乙烯反应突变的根很窄，能够穿透紧实的土壤，而野生型根则表现出抑制细胞伸长和促进皮层细胞径向扩展，但乙烯如何引发这些根系生长变化目前尚不清楚。

该论文的结果为水稻根系如何通过乙烯介导的生长素和ABA生物合成和转运的上调来适应土壤板结提供了分子机制。板结土壤中乙烯扩散减少导致该信号在根尖组织中积累，激活OsEIL1，然后通过OsYUC8上调生长素生物合成。这种新合成的生长素由生长素载体OsAUX1从其合成位点运输到延伸区表皮细胞中的靶位点。由此产生的较高生长素水平抑制内部根组织中的细胞伸长，从而抑制根伸长。然而，水稻根系也利用ABA作为另一种信号，促进皮层细胞径向膨胀，以响应土壤板结。如图一所示，在（A）非板结土壤与（B）板结土壤中的信号传递通路。红点代表气态乙烯分子，红椭圆表示板结土壤条件下乙烯反应增强。颜色的强度（从浅到深）和箭头的宽度表明生长素（黄色）和ABA（天蓝到宝蓝）的水平，绿色箭头表示生长素的运输方向。