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为探究机械刺激对植物的影响，阿伯里斯特威斯大学的研究人员开展相关研究，发现机械刺激可触发植物复杂反应，在农业应用方面潜力巨大，有助于提升作物抗逆性。
在自然界中，植物看似安静地扎根生长，实则时刻与周围环境紧密互动。机械刺激，像风、雨、触碰等，就是影响植物生长的重要环境因素之一。古希腊哲学家泰奥弗拉斯托斯早在公元前 300 年就观察到，生长在多风环境中的树木更矮，木材也更密实。随着研究的深入，科学家发现机械刺激能引发植物的向触性形态建成（thigmomorphogenesis），使植物在形态和生理上发生改变。不过，此前相关研究大多集中在双子叶植物，对于单子叶植物尤其是谷类作物的研究相对较少。但谷类作物为人类提供了超过一半的日常热量摄入，在粮食安全中占据关键地位。而且，随着气候变化，风雨等机械力的强度和频率预计会增加，这可能导致谷类作物发生倒伏，严重影响产量。因此，深入了解机械刺激对谷类作物的影响迫在眉睫。
阿伯里斯特威斯大学（Institute of Biological Environmental and Rural Sciences, Aberystwyth University）的研究人员针对这一问题展开研究。他们发现，机械刺激对植物的影响从分子层面就已开始。在机械感知（Mechanoperception）过程中，植物细胞通过机械敏感离子通道（MSCs）和类受体激酶（RLKs）等多种成分感知机械刺激。比如，MSCs 中的一些蛋白在受到机械刺激时，会允许离子流入细胞，改变膜电位，进而实现信号转导。RLKs 家族中的 FERONIA（FER）蛋白，在感知触摸和弯曲等机械刺激引发的钙信号传导中起着关键作用。
钙（Ca2?）和活性氧（ROS）信号在植物对机械刺激的响应中也至关重要。机械刺激会使植物细胞内的 Ca2?浓度迅速升高，Ca2?结合蛋白能将 Ca2?信号转化为磷酸化事件或基因表达调控。同时，机械刺激还会诱导 ROS 产生，虽然目前其具体作用机制尚未完全明确，但研究表明，ROS 可能会激活 Ca2?渗透阳离子通道，进一步放大 Ca2?信号。
转录和转录后调控方面，机械刺激能引发植物广泛的转录组变化。许多与钙结合蛋白、细胞壁修饰、疾病抗性和防御反应相关的基因表达会发生改变。例如，机械刺激会使编码木葡聚糖内转糖基酶 / 水解酶（XTHs）等细胞壁修饰酶的基因上调，有助于植物适应机械应力。此外，多种植物激素在机械刺激响应中也发挥着重要作用。茉莉酸（JA）在向触性形态建成中不可或缺，机械刺激会导致 JA 水平升高；赤霉素（GA）水平在机械刺激后通常会降低，可能与生长抑制有关；乙烯（ET）在机械刺激响应中的作用存在争议，但近期研究表明它参与了向触性形态建成。
在谷类作物方面，研究发现其对机械刺激的响应表现多样。常见的有茎伸长减少、地上生物量降低，不过茎直径的变化因物种和基因型而异。机械刺激还会影响谷类作物的解剖特征，如改变维管束的数量、面积和布局，增加细胞壁木质素含量，提高细胞壁厚度等。这些变化会影响茎的生物力学特性，有的使茎更硬，有的则更具柔韧性。同时，地上部分的机械刺激还会影响地下根系的生长和结构，如使根系更粗、更多，诱导不定根形成等。在分子水平上，虽然谷类作物对机械刺激的分子响应与双子叶植物有一定保守性，但也存在一些独特的信号通路。
机械刺激与倒伏密切相关。倒伏会导致谷类作物产量和质量下降，造成重大经济损失。目前，虽然在培育抗倒伏品种方面取得了一些进展，如通过控制植物高度、改变细胞壁组成和结构等方式，但倒伏问题仍然严峻。研究表明，机械刺激有可能作为一种物理调控手段，提高作物的抗倒伏能力。
在农业应用方面，机械刺激具有广阔的前景。在园艺领域，机械刺激已被用于培育更矮、更均匀的植物。在田间作物中，如日本的 “mugifumi” 技术和稻鸭共作系统，都利用了机械刺激来提高作物产量和抗倒伏性。此外，机械刺激还能使植物对后续的环境胁迫更具抗性，有望减少农业生产对化学投入品的依赖，推动可持续生态农业发展。
这项研究为理解机械刺激对植物生长的影响提供了全面的视角，为农业生产实践提供了理论支持，为培育更具抗逆性的作物品种、优化农业管理措施开辟了新的方向。
研究人员在开展研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：一是转录组分析技术，通过对受机械刺激的植物进行转录组测序，分析基因表达变化，探究机械刺激响应的分子机制；二是生理生化指标测定技术，检测植物激素含量、细胞壁成分变化等生理生化指标，研究机械刺激对植物生理过程的影响；三是遗传分析技术，利用突变体研究相关基因在机械刺激响应中的功能。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 机械刺激引发的分子响应：通过对拟南芥等植物的研究，发现机械刺激能激活机械敏感离子通道（MSCs）和类受体激酶（RLKs），引发钙（Ca2?）和活性氧（ROS）信号变化，进而调节转录因子（TF）介导的转录变化，影响向触性形态建成。
- 谷类作物对机械刺激的响应特征：研究多种谷类作物对机械刺激的响应，发现它们普遍表现出茎伸长减少、地上生物量降低等现象，茎直径变化则因物种和基因型不同而不同。同时，机械刺激还会改变谷类作物的解剖特征和细胞壁特性，影响茎的生物力学性能。
- 机械刺激对根系的影响：观察受机械刺激的谷类作物根系，发现地上部分的机械刺激可影响地下根系的生长和结构，诱导不定根形成，增强根系对土壤的锚固能力。
- 机械刺激在农业中的应用潜力：通过分析 “mugifumi” 技术和稻鸭共作系统等实例，发现机械刺激在提高作物产量、增强抗倒伏性和对环境胁迫的抗性方面具有潜力。
研究结论和讨论部分指出，机械刺激在增强作物抗逆性方面具有显著潜力，但仍有诸多问题有待解决。例如，不同物种、品种和环境条件下，机械刺激的效果可能不同，需要进一步优化应用方法；机械刺激对谷物品质和根系系统的影响还需深入研究；机械刺激引发的响应机制，包括转录记忆和表观遗传机制等，也需要更多探索。尽管如此，机械刺激为农业生产提供了一种可持续的调控策略，有望减少对化学投入品的依赖，促进农业的可持续发展。未来，随着研究的不断深入，机械刺激在农业领域的应用将更加精准和有效。
