转录组学揭示了根细胞如何“感知”和适应土壤

科学家们首次发现了根细胞如何对其复杂的土壤环境做出反应，揭示了根积极“感知”其微环境并产生精确的细胞特异性分子反应。这些发现可能有助于开发抗气候胁迫的作物。

在《自然》杂志上发表的一项研究中，诺丁汉大学的一个国际植物科学家和工程师团队与美国和比利时的团队合作。该团队使用尖端的空间和单细胞转录组学来比较在传统凝胶基培养基中生长的水稻根系与在异质自然土壤和硬土壤中生长的根系。

一个引人注目的发现涉及激素脱落酸（ABA），以其在水分胁迫中的作用而闻名。该研究表明，ABA有助于加强防水屏障，减少根系的水分流失，并帮助根系对硬土的恢复力。这一见解为改良作物根系以提高其对硬土条件的适应性提供了潜在的关键。

土壤是陆地生命的基础，生产了90%以上的陆地食物。然而，这个动态的生态系统远非统一的：它呈现了一个不断变化的营养物质、水资源、微生物生命和机械挑战的马赛克。了解根细胞如何感知和应对土壤压力对于未来的全球粮食安全至关重要。杜克大学的第一作者Mingyuan Zhu说：“看到与营养感应、水分反应和生物胁迫相关的基因只在土壤生长的根系中发光，这令人敬畏。”。“这是一个引人注目的时刻，让根-土壤-环境相互作用的复杂性变得栩栩如生。”诺丁汉大学生物科学学院的Bipin Pandey博士领导了诺丁汉的研究。他说：“这是第一次将这种细胞分辨率表达工具应用于土壤中生长的根。了解现实土壤环境中根细胞的特异性反应将为在细胞水平上改造作物铺平道路，使其在不干扰其他根组织关键过程的情况下发挥作用。”这项突破性研究体现了跨学科合作的力量，代表了植物生物学的范式转变，将我们研究根细胞过程的能力从受控的实验室条件转变为植物在土壤中经历的更具挑战性但更现实的条件。随着气候变化威胁到土壤质量和农业可持续性，这些见解不仅在科学上令人兴奋，而且至关重要。“

该研究还表明，植物反应系统的激活不仅受遗传或生化过程的调节，而且在细胞水平上改变了植物的物质特性。

该团队与诺丁汉大学工程学院合作，使用了一种新的细胞分辨率成像技术，称为声子显微镜，来绘制在应力和非应力环境中生长的根系细胞壁刚度的变化。

诺丁汉大学工程系的Salvatore La Cavera博士说：“我们发现了植物根系在压实的土壤中生长时，通过加强细胞壁来有效地‘支撑冲击’的惊人能力。”

“植物为极端条件做准备，就像人类用沙袋为风暴做准备一样。通过更好地了解植物的材料特性，我们可以帮助设计具有增强物理属性的植物，使其更适合我们不断变化的环境。“

这项研究也是对已故的Philip Benfey教授的衷心致敬，他是一位关键的合作者，他的远见卓识和方法帮助塑造和启动了这个项目。

诺丁汉大学的Malcolm Bennett教授领导了这一研究领域，并与Benfey教授合作，他评论道：“Philip对这一研究区域和正在开拓的创新技术充满热情。

“我们很自豪能帮助他实现梦想。”