农业领域的一项突破有助于解释为何根系可能难以穿透坚硬、紧实的土壤。
根系无法深入地下、获取营养丰富的土壤，可能使农民损失25%的产量。
此前人们认为，根系因力量不足而无法穿透土壤。
然而，研究表明，真正的原因可能在于一种可被“switched off"的生物信号。
多年来，人们普遍认为，根系之所以无法在坚硬土壤中深入生长，是因为它们很难从物理上穿透土壤。但我们的新研究发现了另一个原因：根系的生长受一种生物信号控制，而这种信号可以被“关闭”，使根系得以穿透紧实的土层。这一发现可能帮助作物在即使是受损最严重的土壤中生长。
土壤压实是现代农业面临的一项重大挑战，部分原因在于农机日益增加的重量，这些农机可能在一个季节内多次碾压同一区域。在上层土壤的重压下，较深的土层也会高度压实，使根系难以深入到那些富含水分和养分的土层。
土壤压实的影响十分深远：由于它会抑制根系生长，进而对水分和养分的吸收产生负面影响，土壤压实最高可造成25%的产量损失。仅在英国，与土壤压实相关的损失就估计每年在4亿欧元（3.55亿英镑）至6.5亿欧元之间。
气候变化将使这些损失进一步加剧。原因在于，当压实与干旱叠加时，作物产量可能下降高达75%，据估计这将使农民承受数十亿美元的年度损失。随着干旱日益频繁，培育能够抵御这些挑战的作物变得愈发重要。
尽管这一问题对全球农民至关重要，压实土壤中根系生长受阻背后的机制至今仍不清楚。过去，无法穿透高度压实土壤的根系被简单地视为力量过弱，无法做到这一点。然而，我们发现，根系实际上能够穿透高度压实的土壤——前提是它们对植物激素信号的敏感性被扰乱之后。
根系突破
我们的研究发现，这一信号或“开关”受一种名为乙烯的激素控制，乙烯以气体形式从植物根尖释放。在疏松、未压实的土壤中，这种气体可以自由扩散到土壤中。但在坚硬、压实的土壤中，乙烯气体无法扩散，而是被困在根尖所处的区域，导致乙烯在根组织本身中积累。
我们的研究发现，乙烯的积累促使根系在压实土壤中停止继续伸长。因此，乙烯对根系伸入压实土壤起到非常明确的“停止”信号作用。
在我们的实验中，我们使用了携带特定基因突变的植物，这些植物已无法感知乙烯信号。我们发现，根系确实具备穿透压实土壤的能力，但在遇到基于乙烯的停止信号时，它们会选择不穿透。
我们有意使用两种截然不同的土壤（沙土和黏土）以及两种截然不同的植物进行研究：水稻和拟南芥（油菜的近缘种）。我们在不同土壤和植物中观察到相同的现象，这表明我们的研究发现可能广泛适用于其他作物、土壤类型和地区。
我们的研究发现为选育新型抗压实作物开辟了新的机会，正如被誉为“遗传学之父”的格雷戈尔·孟德尔最早对不同品种的豌豆进行了选择性育种。如今，育种者只需在其种质资源中筛选对乙烯敏感性较低的根系品种，并以此差异培育新植株。
然而，由于该激素信号对植物的其他过程（如抗病原体）也十分重要，因此也可以采用更具针对性的基因编辑和转基因（GM）方法，仅阻断根尖组织中的乙烯反应，而非整株植物的反应。哪种方法最为有效，还有待时间检验。
促进农业发展
我们的研究发现有望在全球范围内保障或提高作物产量，尤其是考虑到土壤压实仍是集约化农业生产中的长期问题。仅在欧洲，有3600万公顷（占总耕地6800万公顷）的耕地容易发生土壤压实。
根系能够更深入穿透这种压实土壤的作物将带来诸多显著益处。首先，作物根系将能够获取目前无法利用的深层土壤中的养分来源。这反过来将支持作物长得更大、更健康。
其次，根系更为发达的作物品种将能够获得更可靠的水源，在气候变化导致干旱胁迫期增多的情况下，赋予其更强的抗逆能力。最后，模型研究表明根系更深的作物会将更多碳埋存于土壤中，有助于从地球大气中固碳，从而减缓气候变化。
我们对根系如何穿透坚硬土壤的新认识，可能是培育新型作物、提高其抗土壤压实能力的重要一步。我们预计，此类作物将有助于减少全球各地与严重土壤胁迫和损害相关的产量损失。
