近日，南京农业大学赵方杰教授团队在Nature Communications期刊上发表了题为"Mechanosensing antagonizes ethylene signaling to promote root gravitropism in rice"的研究论文，揭示了根冠机械感知拮抗乙烯信号以保障水稻根系向地性生长的机制。

该研究通过鉴定水稻突变体crw1（水中卷根），发现其在水培环境中因OsCRW1/OsEBF1基因功能缺失导致乙烯信号核心转录因子OsEIL1/OsEIL2过度积累，进而激活下游OsERF82介导的活性氧（ROS）爆发，破坏根冠结构与生长素极性运输，最终引发根尖卷曲。研究创新性揭示土壤中温和机械阻力（≥34 Pa）通过触发根尖钙信号通路，促进OsEIL1/OsEIL2蛋白降解，从而恢复乙烯-生长素动态平衡，保障根系正常向地性。这一发现为作物根系构型优化提供了新思路，揭示了植物通过整合机械感知与激素信号适应土壤环境的重要策略。

英文标题：Mechanosensing antagonizes ethylene signaling to promote root gravitropism in rice

发表期刊：Nature Communications（IF：14.7）

发表时间：2025.4.19

贝纳基因参与了该研究的RNA-seq测序分析工作。

主要研究成果

1. crw1 突变体的表型特征

在水培环境中，crw1突变体的初生根和不定根尖端呈现卷曲，根冠较小，淀粉体数量减少，向地性响应减弱。根尖生长素分布不对称，OsPIN2蛋白极性定位异常，导致细胞伸长不对称。但在水饱和稻田土壤中，突变体根冠结构、OsPIN2 定位及生长素分布均恢复正常（图1）。

图1 crw1突变体在水培条件下表现向地性缺陷，但在土培中正常

图2 OsCRW1/OsEBF1是crw1突变体的致病变因基因

转录组测序分析发现，水培条件下，crw1 突变体中 32 个差异表达基因（DEGs）显著富集于乙烯信号通路，包括 20 个乙烯响应因子（ERFs）（图 3a-b）。

图3 水培条件下乙烯信号过度激活导致crw1根卷曲

OsCRW1可能通过降解乙烯核心转录因子OsEIL1/OsEIL2调控信号通路。通过酵母双杂交（Y2H）和双分子荧光互补（BiFC）实验证实，OsCRW1 可与 OsEIL1/OsEIL2 互作。水培条件下，突变体中 OsEIL1/OsEIL2 蛋白显著积累，而土壤条件可抑制其积累（图 4a-b）。在crw1中敲除OsEIL1或OsEIL2可显著恢复根卷曲表型（图4c-d）。过表达OsEIL1/OsEIL2导致水培根短且微弯。此外，添加1 μM ACC（乙烯前体）引发根尖卷曲，土培后表型恢复。

研究发现crw1突变体根尖 ROS 生成相关基因（如OsRBOHH及III类过氧化物酶基因）显著富集。荧光检测显示crw1根尖ROS水平显著升高（图5a），导致根冠细胞程序性死亡和 OsPIN2 极性定位异常。施加ROS 清除剂（NAC、DPI）或敲除 OsERF82，可恢复突变体表型（图5b-h）。表明OsERF82是OsEIL1/OsEIL2下游关键效应因子，驱动ROS爆发。

图5 OsCRW1-OsEIL1/2-OsERF82通过调控根尖活性氧（ROS）稳态维持根的向地性

敲除OsEIL1、OsEIL2或OsERF82显著降低crw1突变体根尖ROS至野生型水平（图5f–h）。进一步发现OsRBOHH及三个III类OsPRX基因启动子区含ERF结合位点，且通过Y1H和EMSA实验得以验证。同时，qPCR显示crw1根尖中OsRBOHH及三个OsPRX基因转录上调，敲除OsEIL1/OsEIL2/OsERF82可抑制其表达。综上，OsEIL1/2-OsERF82模块通过激活OsRBOHH及III类OsPRX基因转录引发ROS累积。

4. 机械阻力通过钙信号拮抗乙烯信号

为解析crw1突变体在饱和稻田土壤中表型恢复的机制，观察不同硬度琼脂培养基（0.3-1.2%）中根系表型变化，结果显示在琼脂硬度≥34 Pa（0.8% 琼脂）时，突变体可恢复突变体根系向地性，而施加聚苯乙烯泡沫颗粒（模拟机械阻力）可恢复根冠结构和生长素对称分布（图 6a-f）。

图6 根尖受到的轻微机械阻力可挽救 crw1 的根系卷曲表型

钙离子（Ca²⁺）是植物机械响应的关键信号分子。利用荧光报告系统发现，机械阻力触发根尖[Ca²⁺]cyt信号升高，且野生型与crw1突变体间无差异（图7a-b）。钙通道抑制剂LaCl₃阻断该信号后，OsEIL1/OsEIL2蛋白重新累积，消除土壤对突变体的挽救作用（图7c-i）。OsERF82转录及ROS水平与OsEIL1/OsEIL2蛋白动态一致（图7j），表明机械感知通过Ca²⁺信号促进OsEIL1/OsEIL2降解，拮抗乙烯信号过度激活。

图7 机械感知诱导的 Ca²⁺信号通过拮抗乙烯信号，维持crw1突变体根系的向地性

5. 自然群体中的保守性与适应性

对230 份长江三角洲水稻地方种质材料进行筛选，发现53 份在水培条件下表现根系卷曲表型，其 OsCRW1 转录水平显著低于直根品种。施加乙烯抑制剂 1-MCP可矫正卷曲表型，土培后表型完全恢复。高紧实土壤中卷曲种质根伸长受抑更显著，与crw1突变体表型一致。

图8 OsCRW1 与机械感知抑制乙烯信号以维持根系向地性的模型

总    结

本研究揭示了水稻根系向地性调控中OsCRW1-OsEIL1/2-OsERF82-ROS信号模块的关键作用，并发现机械感知通过钙信号拮抗乙烯信号的新机制。该研究为解析植物激素与环境信号互作提供了新视角，并为改良水稻根系构型以适应不同土壤条件提供了基因靶点。