作者马尔科姆·班尼特，比平·潘迪和莎夏·穆尼，《对话》 信用:利迪安·米奥托/舒特斯托克 多年来，传统观点认为根在坚硬的土壤中不会长得那么深，因为它们很难从身体上穿过去
但是我们的新研究发现了另一个原因:它们的生长是由一种生物信号控制的，这种信号可以被“关闭”，使它们能够穿透压实的土壤
这一发现可能有助于农作物在即使是最受损的土壤中生长
土壤压实是现代农业面临的一个主要挑战，部分原因是农业设备的重量不断增加，这些设备每个季节可以在相同的土地上经过多次
在上面土壤的重量下被挤压，更深的区域也被高度压实，使得根很难渗透到那些富含水分和养分的土层中
这种土壤压实的影响是深远的:因为它会减少根系生长，对水分和养分吸收产生负面影响，土壤压实会导致高达25%的产量损失
仅在英国，每年与土壤压实相关的损失估计在4亿€(3.55亿英镑)和6.5亿€之间
气候变化将使这些损失更大
这是因为，当压实与干旱结合在一起时，作物产量可能会减少高达75%，据估计，这每年会给农民造成数十亿美元的损失
随着干旱变得越来越普遍，开发能够抵御这些挑战的作物变得更加重要
尽管它对世界各地的农民有明显的重要性，但压实土壤中根系生长受阻背后的机制仍不清楚
未能穿透高度压实土壤的根被认为太弱而不能穿透
然而，我们发现根实际上能够穿透高度压实的土壤——在它们对植物激素信号的敏感性被破坏之后
随着时间的推移，重型农业机械有助于土壤的压实
信用:Saverio blasi/Shutterstock 根源突破 我们的研究发现，这种信号或“开关”是由一种叫做乙烯的激素控制的，这种激素是以气体形式从植物根部顶端释放出来的
在松散、未压实的土壤中，这种气体可以自由扩散到土壤中
但是在坚硬、紧实的土壤中，乙烯气体不能扩散，而是被截留在根尖所占据的区域——导致乙烯在根组织自身中积累
我们的研究发现，这种乙烯的积累促使根在压实的土壤中不再生长
因此，乙烯作为一个非常清晰的“停止”信号，向压实的土壤中延伸根系
在我们的实验中，我们使用了具有特定基因突变的植物，这使得它们不再能够感知乙烯信号
我们发现根确实有能力穿透压实的土壤，但当出现基于乙烯的停止信号时，却选择不穿透
我们特意使用两种非常不同的土壤(沙子和粘土)和两种非常不同的植物进行研究:水稻和拟南芥(油菜的近亲)
我们在不同的土壤和植物中观察到相同的行为，这一事实表明我们的发现可能广泛适用于其他作物、土壤类型和地理位置
我们的发现为选择新的抗压实作物提供了新的机会——就像遗传学之父格雷戈尔·孟德尔首次有选择地培育不同种类的豌豆一样
育种者现在可以简单地筛选出根部对乙烯不太敏感的品种，选择创造具有这种分化的新植物
然而，由于这种激素信号对其他植物过程也很重要，如对病原体的抗性，更有针对性的基因编辑和遗传修饰(转基因)方法也可用于仅阻断根尖组织中的乙烯反应，而不是整个植物
时间会告诉我们这些不同的方法中哪一个将被证明是最有效的
根系较深的植物对干旱的抵抗力更强
信用:Jasper Suijten/Shutterstock 促进农业发展 我们的发现有可能在全球范围内保护或提高作物产量，特别是考虑到土壤压实仍然是集约农业实践中的一个持续问题
仅在欧洲，就有3600万公顷(总共6800万公顷)的耕地容易被土壤压实
有根的作物可以更深地渗入这种紧实的土壤，这将带来许多明显的好处
首先，作物根系将能够获得深层土壤中的养分来源，而这些养分目前是它们无法获得的
这反过来将支持更大、更健康的作物的生长
其次，拥有更广泛根系的作物品种将能够获得更可靠的水源，从而在干旱胁迫期间获得更大的复原力，而干旱胁迫将随着气候变化而增加
最后，模型表明，根深的作物将更多的碳埋在土壤中，有助于从地球大气中吸收碳来限制气候变化
我们对根是如何穿透坚硬土壤的新认识，可能是培育新型作物的重要一步，这种作物可能对土壤压实更有弹性
我们预计，这种作物将有助于减少世界各地与主要土壤压力和损害相关的产量损失
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