西北農(nóng)林科技大學(xué)最新Science：張余周團隊發(fā)現(xiàn)植物全新向性運動“避腐性”——感知局部pH梯度，繞開腐爛區(qū)域

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

植物在復(fù)雜且異質(zhì)性的土壤環(huán)境中生長，根系必須固定植株、吸收水分和養(yǎng)分，并應(yīng)對各種環(huán)境脅迫。為了適應(yīng)這樣的環(huán)境，植物進化出了向性反應(yīng)，即對環(huán)境刺激產(chǎn)生定向生長的響應(yīng)。自達爾文時代以來所描述的經(jīng)典向性反應(yīng)主要由重力、光照、水分和鹽度等非生物信號驅(qū)動。

然而，土壤也是一個受微生物群落動態(tài)變化影響的生物生態(tài)系統(tǒng)。土壤中普遍存在著植物殘體的微生物分解過程，推動了有機物的分解與養(yǎng)分循環(huán)，從而形成具有強烈微生物活動的局部腐解區(qū)域。目前尚不清楚植物根系是否能夠感知這些地下腐爛區(qū)域并主動避開，以降低被腐敗微生物感染的風(fēng)險。

2026 年 7 月 9 日，西北農(nóng)林科技大學(xué)張余周團隊（博士后珠拉太、博士生王慧慧為論文共同第一作者）在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)表了題為：Roots Navigate around Decay Regions by Sensing Local pH Gradients 的研究論文。

首次發(fā)現(xiàn)植物根系能夠主動感知土壤中的微生物富集的腐爛區(qū)域，并通過一種全新定義的向性運動 ——“避腐性”（Saprotropism），主動繞開腐敗植物殘體。該研究揭示了植物根系如何通過感知腐敗微生物代謝產(chǎn)生的化學(xué)信號梯度，規(guī)避潛在有害微生物富集區(qū)，為理解植物-微生物-土壤互作提供了全新視角。

在這項最新研究中，研究團隊首先測試了腐爛植物材料是否對根系生長構(gòu)成不利環(huán)境。隨后，在自然土壤和分體瓊脂系統(tǒng)中，于根部附近建立了局部腐爛區(qū)域，以觀察根系的生長反應(yīng)。結(jié)果顯示，植物根系表現(xiàn)出強烈的定向彎曲，遠離腐爛區(qū)域。為了識別植物根系用于導(dǎo)航的腐爛產(chǎn)生的化學(xué)信號，以及定殖在植物源物質(zhì)上并負責(zé)產(chǎn)生這些化學(xué)信號的微生物，研究團隊進行了多組學(xué)分析（微生物組學(xué)、代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)），并通過微生物分離進行實驗驗證。利用共聚焦成像和基因篩選，研究了參與感知腐爛誘導(dǎo)化學(xué)信號的根系感覺細胞和分子傳感器。最后，研究團隊探討了根系如何將這些外部化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為驅(qū)動避腐性彎曲的細胞生長行為。

該研究證明了腐爛植物材料形成了一個充滿敵對微生物的微環(huán)境，在直接接觸時會抑制植物根系生長并降低植物適應(yīng)性。當植物根系被放置在腐爛植物材料附近但未接觸時，它們始終會彎曲遠離腐爛源，研究團隊將這種定向回避反應(yīng)命名為“避腐性”（Saprotropism）。研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)，定殖在腐爛植物材料上的真菌（而非細菌）在分解過程中會產(chǎn)生酸性代謝物（包括有機酸和酚酸）。這些酸會擴散到周圍土壤中，形成穩(wěn)定的酸性 pH 梯度，作為植物根系導(dǎo)航的定向信號。根表皮細胞通過根分生組織生長因子（RGF）–RGF 受體（RGFR）肽-受體 pH 感應(yīng)模塊感知這種酸性微環(huán)境，該模塊將 pH 不對稱性轉(zhuǎn)化為根內(nèi)不對稱的脫落酸（ABA）分布。ABA 不對稱性進而驅(qū)動微管重組和各向異性的表皮細胞擴張，產(chǎn)生定向的根扭轉(zhuǎn)，引導(dǎo)根系彎曲遠離腐爛區(qū)域。

總的來說，該研究首次揭示了“避腐性”（Saprotropism）是一種此前未被識別的植物彎曲響應(yīng)，使植物根系能夠主動規(guī)避腐爛區(qū)域。真菌驅(qū)動的植物源物質(zhì)分解產(chǎn)生了酸性化學(xué)梯度，作為根系導(dǎo)航的環(huán)境引導(dǎo)信號，闡明了這種微生物腐爛產(chǎn)生的化學(xué)景觀如何通過分子和細胞機制重新編程植物根系的生長決策。這些發(fā)現(xiàn)不僅拓展了現(xiàn)有的植物向性理論框架，還揭示了一種此前未被認識的微生物-土壤-植物通訊形式，為理解植物根系如何在地下復(fù)雜環(huán)境中導(dǎo)航、避開有害微生物生態(tài)位提供了新見解。

論文鏈接：

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