上海交通大學生命科學技術學院張大兵逝世已逾兩年。2025年11月27日，澎湃新聞（www.xinlihui.cn）記者從上海交通大學獲悉，張大兵團隊參與的研究成果近日在國際學術期刊《自然》上發(fā)表。

近日，上海交通大學生命科學技術學院張大兵和梁婉琪教授團隊聯(lián)合丹麥哥本哈根大學Staffan Persson教授團隊、英國諾丁漢大學Malcolm J. Bennett教授團隊在國際學術期刊《自然》發(fā)表文章。 上海交通大學 供圖

植物如何用“以柔克剛”突圍板結土壤？近日，上海交通大學生命科學技術學院張大兵和梁婉琪教授團隊聯(lián)合丹麥哥本哈根大學Staffan Persson教授團隊、英國諾丁漢大學Malcolm J. Bennett教授團隊在國際學術期刊《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原理適應板結土壤：通過主動響應積累的乙烯，精細調控細胞壁厚度，從而促進根系增粗，提高穿透能力以適應土壤板結。

細胞壁作為植物獨有的結構，具有獨特的力學特性，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，細胞壁又是如何兼顧保護性和可塑性，幫助其對抗土壤的阻力不斷生長的？早期研究發(fā)現(xiàn)，當根系遇到板結土壤時，會發(fā)生徑向膨脹增粗，這種適應性反應主要由皮層細胞層擴張驅動。研究推測，皮層細胞膨脹的過程主要通過增大細胞壁的彈性來實現(xiàn)。那么，植物是如何響應土壤硬度來動態(tài)地調節(jié)自身細胞壁的塑性來幫助根系穿透板結土壤的呢？

纖維素是植物細胞壁的“鋼筋”，通常被認為越多越強壯。然而，研究團隊的發(fā)現(xiàn)卻顛覆了這一認知：當用低濃度纖維素合成抑制劑處理水稻時，根系在板結土壤中的穿透能力不降反升。為了驗證這一反?，F(xiàn)象，團隊利用基因編輯技術敲除了纖維素合成酶基因OsCESA6，獲得cesa6突變體。CT成像顯示，cesa6突變體在板結土壤中比正常水稻穿透力更強，且這種“超能力”僅在板結條件下顯現(xiàn)。這揭示纖維素合成的精密調控是影響植物根穿透板結土壤的關鍵因素。

那么，是誰在調控纖維素合成的速度，以維持對植物生長的最有利條件？研究團隊從上千個水稻基因中找到了關鍵調控因子OsARF1。當根系遇到板結土壤時，土壤中積累的氣體激素乙烯會激活OsARF1，使其從根系中心擴散到皮層細胞，抑制纖維素合成酶基因的表達，最終導致皮層細胞壁變薄變軟，根系得以徑向膨脹變粗。通過進一步實驗驗證，發(fā)現(xiàn)缺失OsARF1的突變體根系纖細、無法膨脹；過量表達OsARF1的植株根系粗壯、穿透力強。以上證明了乙烯-OsARF1-纖維素合成酶這條調控鏈路，正是植物應對土壤板結的關鍵策略。

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

在工程學中，管道設計遵循這樣的原則：當管道內部承受相同壓力時，管徑越大，所需的壁厚就越厚才能維持結構穩(wěn)定性。植物根系巧妙地應用了這一原理：表皮細胞的細胞壁增厚變硬，像“盔甲”一樣提供堅固的外層保護；皮層細胞孔徑大，細胞壁變薄變軟，允許細胞徑向膨脹，形成更大的橫截面產生推力穿透土壤。這種差異化的細胞壁重塑策略讓根系既能產生足夠的推力推開板結土壤，又能維持結構的完整性。此后，團隊通過實驗驗證了這一機制的精確性。

該項研究首次從細胞壁力學角度揭示了植物根系應對土壤板結的生物學原理，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，通過優(yōu)化不同細胞層的材料特性，設計出最適合地下生存的結構方案。該研究不僅破解了植物適應逆境的分子密碼，更為未來作物設計開辟了新維度?；凇昂癖砥?薄皮層”模型，育種家可以像工程師設計建筑那樣，精準調控不同細胞層的細胞壁特性，培育出具有最優(yōu)土壤穿透能力的根系，從而減輕農業(yè)機械化帶來的土壤板結問題，更好地應對氣候變化導致的土壤退化挑戰(zhàn)。同時也可以擴大板結土壤的利用率，維護作物產量安全。

該研究由上海交通大學生命科學技術學院梁婉琪教授，英國諾丁漢大學Bipin K. Pandey研究員，丹麥哥本哈根大學教授、上海交通大學訪問特聘教授Staffan Persson擔任共同通訊作者。上海交通大學梁婉琪和張大兵教授指導的博士后張姣為論文第一作者。

張大兵。上海交大生命科學技術學院官網圖

據(jù)上海交大生命科學技術學院官網介紹，張大兵，1967年7月出生于江蘇省淮陰縣，中國共產黨黨員、著名植物學家，于2023年6月22日遭遇重大交通事故，經搶救無效不幸逝世，享年56歲。張大兵曾于2010年1月至2018年7月，任生命科學技術學院副院長。張大兵長期從事植物發(fā)育生物學和轉基因生物安全領域研究，作為我國著名植物學家、發(fā)育生物學科的領軍人才，張大兵教授將他短暫的一生都奉獻給了教育科研事業(yè)，也為學校生命學科的建設與發(fā)展做出了重要貢獻。