了解植物如何調控根系結構可能對應對氣候變遷提供新方法
隨著氣候變遷對全球農業造成越來越大的壓力，了解植物如何調控根系的生長與功能，成為現代植物科學的重要課題。
以色列理工學院（Technion）生物學系Sigal Savaldi-Goldstein教授的研究團隊，由博士後研究員Hitaishi Khandal博士主導，並與以色列MIGAL研究中心、耶路撒冷希伯來大學（Hebrew University）及荷蘭烏得勒支大學（Utrecht University）合作，發現了植物根系架構的形成，是由地上部與地下部透過類固醇荷爾蒙訊號（steroidal hormonal signaling）所協調而成的結果，兩者各司其職、缺一不可。
植物是協調的大師。地上部（莖與葉）與地下部（根系）並非獨立運作，而是透過訊號、能量與養分交換，共同維持整體的生長與生存。其中關鍵的訊號分子，包含一種稱為菜籽類固醇（brassinosteroid, BR）的植物類固醇荷爾蒙。
若植物無法合成或感應BR，會出現多種發育缺陷，如矮化或生殖力下降。近年來，包括Savaldi-Goldstein教授實驗室在內的研究，已大幅增進從整株植物至單一細胞層級對BR訊號傳導途徑分子機制的理解。然而，BR在地上部與地下部中各自扮演的角色，以及兩者如何共同塑造根系架構仍屬未知。
為了釐清這個問題，研究團隊採用了小器官嫁接技術（micrografting），將年幼植物的地上部與根系進行交換，包含正常與無法合成或感應BR的植株，組合不同的基因型。隨後他們利用電子顯微鏡、代謝體分析、基因表現譜，並與烏得勒支大學團隊共同開發數學模型，全面評估根系的形態變化。研究對象包含模式植物阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）以及番茄，後者用以驗證結果是否同樣適用於農業作物。
研究結果揭示，BR在地上部與地下部具有明確的「分工」。地上部的BR活性主要負責控制碳的分配，也就是決定多少糖類被運送至根部。這直接影響根系的總質量（mass）。例如，即使根系本身缺乏BR，只要接上具有正常BR訊號的地上部，仍能恢復根系的生物量。根部的BR活性則掌管根細胞的形態與生長方向，進而影響碳在根部內的分佈方式與細胞壁厚度（碳儲存的位置）。這顯示植物在形塑根系時，並非單純依靠局部調控，而是透過跨部位的賀爾蒙協調，平衡「質量的供應」與「形態的建構」。
為了更進一步驗證這些發現，研究團隊與烏得勒支大學共同建立了模擬模型「grow and branch」。該模型整合了地上部控制碳供應的作用與根部調節生長方向的效應，成功重現了不同基因型與接枝組合下的根系架構。
模型的預測結果與實際觀察野生型、BR突變株及異質接枝植株的生長結果，在兩種植物中皆高度相符，顯示該系統能有效連結分子層次的訊號與整體形態發展，是理解根系建構的強大工具。
這項跨領域研究結合分子生物學、生理學與數學建模，加深了我們對植物賀爾蒙訊號在發育過程中角色的理解，並為未來作物改良提供新方向。透過控制「根系的質量與形態」，有望在面對乾旱、養分缺乏等氣候挑戰時，培育出更具韌性的農作物。
資料來源
https://www.technion.ac.il/en/blog/article/between-mass-and-form/
論文全文
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59202-6
