PNAS：“根深柢固”背后的秘密

　　在地球上絕大多數極端環境中，擁有頑強生命力的植物都能夠在其中扎根生存。人們常說根深柢固，植物的根往往能夠穿透堅硬的土層深入地下，那么這樣的能力又從何而來呢?

　　近日，康奈爾大學和Boyce Thompson植物研究所的物理學家和植物學家們，通過先進的3D實時成像系統首次捕捉到了植物根部運用機械力的過程，揭示了在艱苦的土壤環境中植物根部能夠頑強生長的潛在原因。該研究提前發表在美國國家科學院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)的網站上。由于氣候條件改變或者過度放牧，許多曾經肥沃的土地都漸漸貧瘠起來，土質變得干燥而堅硬，這項研究成果有望幫助人們培育適應這種劣質土壤的農作物。

　　研究人員在一種特殊的透明凝膠中培養苜蓿Medicago truncatula，這種凝膠分為上下兩層，上層柔軟而下層堅硬。一開始苜蓿的根部徑直向下生長，但遇到下層堅硬的凝膠時，苜蓿的根開始扭曲形成彈簧狀。這就如同當我們一直朝著一個方向擰繩子，繩子會自然的卷曲起來一樣。

　　研究人員用3D實時成像技術跟蹤記錄了野生型苜蓿Medicago truncatula的根部在凝膠中的生長過程。他們在上下兩層凝膠的交界處發現，苜蓿根部在刺入下層凝膠之前會形成螺旋狀。研究人員認為這種現象是由于生長帶來的機械力與環境阻力共同作用使根尖彎曲，同時這種彎曲形成了根部的扭轉。他們還分析了不同凝膠硬度下，根部螺旋的形態，他們發現苜蓿根部螺旋的大小與凝膠硬度有關，并且這種相關性與他們建立的數學模型相符。研究人員指出，這一模型的參數能夠體現不同植物株之間的差異。

　　“當苜蓿的根部遇到堅硬的阻礙物時，就像鐵絲被壓一樣會發生彎曲。而植物根部通過扭曲，使根部呈現出彈簧似的螺旋，這樣其根尖就能夠獲得更多的力，推開更多的凝膠，”文章的第一作者，康奈爾大學研究生Jesse Silverberg說。

　　該研究結合了3D成像與數學建模，為人們揭示了植物根部生長的模式，展示了機械力在確定植物根部形態中起到的作用。通過這項研究，研究人員開創性的發現了根部形態、根部生長和機械力產生之間的潛在聯系。

　　“假如植物在生長中遇到了堅硬的土壤層，它的根部就需要額外的力來擠入這些障礙物。數學模型能夠告訴我們，植物根部要做到這一點需要多大的螺旋。大致上講，土質越堅硬，植物根部所需的螺旋就越大，”Silverberg說。研究人員還通過3D實時成像技術發現，74%的苜蓿根部都是以逆時針的方式扭曲。 Silverberg稱根據他們的模型，進一步的研究將會在其他種屬植物中揭示類似的根系行為。