獨(dú)立通訊作者！西北農(nóng)林科技大學(xué)教授發(fā)表《Science》

近日，《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院青年科學(xué)家張余周教授團(tuán)隊(duì)題為《根系通過(guò)感知局部pH梯度繞開(kāi)腐敗區(qū)域》的研究論文，系統(tǒng)揭示一種全新定義的向性運(yùn)動(dòng)——“避腐性”（Saprotropism），并揭示了該向性生長(zhǎng)的分子機(jī)理，為理解植物—微生物—土壤互作開(kāi)辟了新視角。西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后珠拉太和博士生王慧慧為該論文的共同第一作者，張余周教授為該論文的獨(dú)立通訊作者。

植物根系是吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，植物的向光性、向重力性等向性生長(zhǎng)行為，幫助植物實(shí)現(xiàn)趨利避害。然而，除了物理與化學(xué)環(huán)境信號(hào)，植物根系是否能夠感知并主動(dòng)對(duì)植物腐爛區(qū)高度活躍的有害病原微生物做出向性應(yīng)答，此前還是一項(xiàng)重要的學(xué)術(shù)空白。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物根系直接接觸腐爛植物組織時(shí)，根生長(zhǎng)迅速受到抑制甚至停止，與生物脅迫、病原防御和免疫響應(yīng)相關(guān)的基因被顯著激活。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，面對(duì)局部腐敗區(qū)域，植物根會(huì)主動(dòng)偏離重力方向，向繞開(kāi)植物腐爛物的方向彎曲生長(zhǎng)。這種現(xiàn)象在擬南芥、油菜、番茄和小麥等單雙子葉中廣泛存在。“有趣的是，根僅對(duì)植物腐爛物產(chǎn)生回避，對(duì)動(dòng)物腐爛物無(wú)避性生長(zhǎng)。”張余周教授介紹，這暗示動(dòng)物腐爛物可能對(duì)植物根系不會(huì)產(chǎn)生傷害。據(jù)此，團(tuán)隊(duì)將這一“逃跑”現(xiàn)象命名為“避腐性” ，以此定義這一鑒定到的新向性生長(zhǎng)類(lèi)型。

研究進(jìn)一步破解了植物“聞”到植物腐敗區(qū)信號(hào)的關(guān)鍵密碼。植物腐爛過(guò)程中可向周?chē)寥阑蚺囵B(yǎng)基釋放大量有機(jī)酸和酚酸，形成穩(wěn)定的局部酸性微環(huán)境，且該pH梯度不受降雨等環(huán)境因素干擾，是引導(dǎo)根系躲避腐敗區(qū)的核心方向信號(hào)。在機(jī)制層面，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)定殖于植物腐爛物上的真菌釋放酸性代謝物,根表皮細(xì)胞通過(guò)感知相關(guān)信號(hào)后，并將其轉(zhuǎn)化為植物體內(nèi)脫落酸（ABA）的不對(duì)稱(chēng)分布，進(jìn)而調(diào)控微管重排和表皮細(xì)胞的手性扭轉(zhuǎn)，最終驅(qū)動(dòng)根定向彎曲、遠(yuǎn)離腐敗區(qū)域。該機(jī)制不依賴(lài)經(jīng)典的生長(zhǎng)素調(diào)控模型，拓展了人們對(duì)植物向性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的理解。

《科學(xué)》雜志的審稿人評(píng)價(jià)，“這是植物根系向性生長(zhǎng)領(lǐng)域的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性工作”。研究揭示了一種全新的根系與土壤微生物的對(duì)話模式，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了新思路——從“被動(dòng)治療”轉(zhuǎn)向“主動(dòng)預(yù)防”：一方面，為秸稈還田等栽培措施提供理論指導(dǎo)，通過(guò)合理還田方式為根系留出避讓空間；另一方面，為育種提供新靶點(diǎn)，未來(lái)可通過(guò)基因編輯等手段培育根系“避腐”能力更強(qiáng)的“智慧型”作物品種，可實(shí)現(xiàn)抗病性的“先發(fā)制人”，從源頭預(yù)防未腐熟秸稈對(duì)作物產(chǎn)生的“燒苗”和爛根病的發(fā)生。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw6568