老葉的植物王國

耕耘機。By S.J. Shelestynsky - Personal Collection, Public Domain,   現代農業少不了農機，但是這些又大又重的機器壓在土壤上，就會產生「土壤壓實」的問題。 過去已經有許多研究發現，壓實的土壤不利於植物生長； 最近在《自然》期刊上又有一篇關於土壤壓實的研究。 這篇有什麼過人之處，可以出現在《自然》呢？ 因為它夠自然！ 看文章

  圖片來源： 維基百科 根毛對植物的水分與養分吸收非常重要，他們增加根的表面積，促進水分與養分的吸收[1]。過去的研究知道，轉錄因子、植物荷爾蒙、蛋白質都會影響根毛的發育。 根毛對植物的影響，依不同的植物有所不同。研究發現，比較長的根毛對植物的影響比較大。在穀物中，大麥的根毛比較長，而水稻與玉米的根毛比較短。 自從農業機械發明之後，「土壤壓實」的問題就開始出現。土壤壓實是一種常見的土壤物理問題，通常由於外力作用導致土壤顆粒緊密排列，減少了土壤孔隙率。這種現象會對植物的生長帶來負面影響，因為它降低了土壤的透氣性和滲透性，增加了根部穿透的難度。 土壤壓實對植物生長的負面影響主要表現在限制了根部的生長空間、降低了土壤的空氣和水分流動性，並可能阻礙營養物質的吸收。因此，在管理農田和綠地時，採取措施防止土壤壓實是非常重要的。這可能包括限制重型機械使用、適當的放牧管理、保持良好的土壤水分條件等策略。 由於土壤壓實是無法避免的問題，有科學家就想了解，根毛能不能穿透壓實的土壤，幫助植物吸收水分與養分呢？ 為了研究這個問題[2]，研究團隊開發了用瓊脂模擬壓實土壤的系統。他們使用低濃度的瓊脂（1%）模擬較軟的土壤層，使用高濃度的瓊脂（3%）來模擬壓實層。為什麼不直接用土壤，主要是因為要定量土壤壓實的程度比較困難，而且從土壤中取出植物的根，很難不傷及根毛。 研究團隊發現，當水稻根部遇到壓實的土壤時，生長素（auxin）的合成會上升，並透過 OsAUX1 這個生長素運輸蛋白從根尖運輸到根毛區域，進而促進根毛的伸長，增強根部的錨定力和穿透能力。 他們觀察到，一個稱為 OsYUC8 的生長素生合成基因，在根尖遇到壓實的土壤時，其表現量會上升。使用使用生長素報告基因也看到，根尖在遇到壓實的土壤時，生長素的合成上升，並且生長素朝著根向根毛區域移動。 由於生長素的移動需要有生長素運輸蛋白，但是植物有非常多的生長素運輸蛋白，究竟是哪一個呢？進一步的研究發現，是 OsAUX1 這個生長素運輸蛋白：當 OsAUX1 基因發生突變，導致植物無法製造 OsAUX1 時，根尖合成的生長素就無法運到根毛了。而且，突變株的根部在遇到3%的瓊脂時，會沿著兩層瓊脂的交界生長，而不是穿入3%的瓊脂。 另外，研究團隊也用了兩個與根毛發育相關的突變株，其中一個是 rhl1 （roothairle...

  圖片來源：維基百科 現代農業使用大型機具（耕耘機、播種機等）雖然可幫農夫省很多力氣，但這些大型機具本身的重量會把土壤給壓實。壓實的土壤（soil compaction）讓植物的根部難以穿過，當植物的根無法深入土壤，植物便無法吸收更多的水分與養分。不只是這樣，土壤壓實時還會壓縮土壤中的小孔，讓土壤的含（氧）氣量減少，使得根部呼吸困難。但是要有效率的耕種，免不了會使用大型機具。要怎麼解決這個問題呢？ （網友補充）傳統的方法，會用機械鑽頭、高壓水柱、或類似的各種方式，在適合的地方鑽洞，鑽出來的洞會填入木炭或者腐熟的有機質、或者泥碳，總之比較蓬鬆的材料。另外，在農耕季之間種植白蘿蔔，也可以改善土壤壓實的問題。 但是，能不能讓植物自己去克服土壤壓實的問題呢？ 結合了英國與中國的國際研究團隊發現，讓植物的根覆蓋一層不透氣的矽脂，會引發乙烯反應；而讓植物生長在壓實的土壤（1.6g/cm）中，植物產生的反應與正常的土壤（1.1g/cm）相比，也很類似於乙烯反應：根延長的速度變慢，但是變粗了。 如果根遇到壓實的土壤時的反應是因為啟動了乙烯訊息傳導，那麼關掉乙烯路徑，是否能讓根可以穿透壓實的土壤呢？研究團隊找了兩個乙烯訊息傳導的突變株，測試它們是否可以穿透壓實的土壤。結果發現，這兩個突變株果然可以穿透壓實的土壤！而且不論是稻米或是阿拉伯芥的突變株，在壓實的土壤中的生物質量都比野生種要高。 所以，植物的根部可能是透過感應土壤中氣體的多寡來啟動乙烯訊息傳導，從而影響到根部的生長反應。壓實的土壤可以讓農作物的產量降低到原來的一半，而隨著農業機械的反覆使用，土壤壓實的問題會變得愈來愈不可忽視。或許未來在栽種作物後可考慮使用乙烯拮抗劑，讓農作物的根可以更快地穿透土壤。 參考文獻： Plant roots sense soil compaction through restricted ethylene diffusion BY BIPIN K. PANDEY, GUOQIANG HUANG, RAHUL BHOSALE, SJON HARTMAN, CRAIG J. STURROCK, LOTTIE JOSE, OLIVIER C. MARTIN, MICHAL KARADY, LAURENTIUS A. C. J. VOESENEK, KARIN LJUNG, JONATHAN P...