Science：根系会避开植物腐烂

腐烂物质塑造着土壤中的生命，但同时也可能为根系生长创造不利环境。奥地利科学技术研究所 (ISTA) 的 Ji?í Friml 教授及其国际合作者发现了一种名为“腐生性”的根系反应，这种反应引导植物远离腐烂的植物源物质，但不会远离腐烂的动物源物质。这项由中国西北农林科技大学张宇洲教授领导、发表在《科学》杂志上的研究揭示了根系如何通过感知腐烂物周围的局部 pH 值梯度来调整生长方向。

　　

腐烂的物质塑造着土壤中的生命，但同时也可能为根系生长创造不利环境。奥地利科学技术研究所 (ISTA) 的 Jiří Friml 教授及其国际合作者发现了一种名为“腐生性”的根系反应，这种反应引导植物远离腐烂的植物源物质，但不会远离腐烂的动物源物质。这项由中国西北农林科技大学Yuzhou Zhang教授领导、发表在《科学》杂志上的研究 揭示了根系如何通过感知腐烂物周围的局部 pH 值梯度来调整生长方向。

植物无法逃离危险或奔向渴望之物。相反，它们会调整自身的生长方向。茎会向光生长（一种众所周知的现象，称为向光性），根和茎分别利用重力向下和向上生长（向地性），根还可以向水生长（向水性）。这些定向生长反应，统称为植物向性，帮助植物适应不断变化的环境。如今，来自中国和奥地利的研究人员发现了这一家族的新成员：腐生性，其词根“sapro”意为腐烂或衰败。

“超越向地性、向光性和向水性等经典向性是禹洲的想法，”论文合著者、奥地利科学技术研究所 (ISTA) 教授 Jiří Friml说。“作为我在 ISTA 研究小组的成员，他进一步研究了这个问题，发现了腐生性及其背后的机制。”

腐生性：不要碰死植物，太恶心了！

研究人员首先发现，与腐烂植物组织直接接触会强烈抑制根系生长，并激活与免疫和病原体相关的防御通路。换句话说，根系将这些腐烂区域视为具有生物威胁的环境。

“动物本能地会避开腐烂的食物，因为腐烂的食物往往滋生有害微生物，”通讯作者、中国西北农林科技大学教授、ISTA Friml课题组成员Yuzhou Zhang说，“我们想知道，植物虽然不能移动，是否也在地下进化出了类似的策略。”

事实上，它们确实会这样做：新发现的向性使根系能够主动弯曲，避开腐烂的植物物质。实验表明，根系会避开由苹果或树叶等“肉质”物质构成的腐烂区域，而且——与最初的假设相反——也会避开锯末等木质材料。

动物尸体不会影响植物。

然而，当研究人员测试动物源性腐烂物（如小块鸡肉）时，根系没有表现出定向生长反应。

“因此，一项引人注目的发现是，植物根系并非简单地避开所有腐烂的物质，它们会专门针对腐烂的植物材料做出反应。这告诉我们，腐生作用并非对腐烂的普遍反应，而是对植物来源的腐烂物质的一种专门反应。”

不仅在模式植物拟南芥中观察到了这种反应，而且在油菜、番茄和小麦等作物中也观察到了这种反应——这表明腐生现象在植物中很普遍。

观察小型“植物墓地”的影响

研究团队发现，关键信号来自微生物，尤其是真菌，它们在分解死亡植物材料时会释放出酸性代谢物。在分解过程中，真菌会释放酸性代谢物，包括有机酸和酚酸。这些化合物会扩散到周围的土壤中，并在腐烂物质周围形成稳定的局部pH梯度。植物根系甚至在直接接触之前就能感知到这种酸碱度模式，并将其作为方向信息，避开酸性较强的一侧。

然而，“植物墓地”并不会发出永久的警告信号——一旦植物腐烂成土壤，这种现象就会自动停止。“一旦植物材料几乎完全分解，酸性警告信号就会消失——根系也不再弯曲，”Yuzhou Zhang解释道。

为了在可控条件下研究这一过程，研究人员使用了一种垂直分片琼脂系统——一种扁平的直立培养皿，其中不同的琼脂培养基形成特定的化学梯度。当根系沿着培养皿向下生长时，科学家可以观察它们是否会向特定信号（例如与腐烂相关的酸性环境）弯曲或背离。

“在ISTA，我们多年来一直使用类似的系统来研究根系如何向水生长，现在，同样的装置帮助我们揭示了相反的反应——根系会远离潜在的有害信号。与其他向性不同，这里的关键因素并非植物激素生长素。”

根须随着ABA的旋律起舞

在根部，外部信号转化为生长决策：根表面的细胞检测到根的一侧比另一侧暴露在更强的酸性环境中。这种不均匀的信号改变了植物激素脱落酸（ABA）在根尖的分布。结果，根细胞的内部结构发生重组，导致根的两侧生长方式不同。随后，根会弯曲远离腐烂的植物材料。

Yuzhou Zhang教授表示：“我们的研究表明，腐烂的植物物质不仅仅是被动的养分来源。它创造了一种植物根系可以感知的化学环境。腐生作用揭示了植物如何解读土壤中的微生物活动，并据此做出相应的生长决策。”

与农业和粮食安全相关的基础科学

腐生现象（该术语由研究作者创造）的发现开辟了新的研究方向，例如根系如何解读土壤中的微生物活动。从长远来看，更好地了解此类根系行为有助于指导农业、土壤管理和作物抗逆性等方面的改进。

Yuzhou Zhang解释说：“过度施用未分解的作物残茬会形成大面积的腐烂区，超出根系的适应能力，从而可能增加根系接触有害微生物的机会，并促进根部病害的发生。” 了解腐生性的分子机制为培育具有更强病原体识别和规避能力的作物提供了新的契机。他总结道：“未来，通过育种或基因工程改造，培育出具有更强‘腐烂规避’能力的品种，可以在感染发生前预防根系与病原体的接触，从而补充传统的抗病策略。”