PNAS：“根深柢固”背后的秘密

康奈尔大学和Boyce Thompson植物研究所的物理学家和植物学家们，通过先进的3D实时成像系统首次捕捉到了植物根部运用机械力的过程，揭示了在艰苦的土壤环境中植物根部能够顽强生长的潜在原因。该研究提前发表在美国国家科学院院刊的网站上。

　　

生物通报道：在地球上绝大多数极端环境中，拥有顽强生命力的植物都能够在其中扎根生存。人们常说根深柢固，植物的根往往能够穿透坚硬的土层深入地下，那么这样的能力又从何而来呢？

近日，康奈尔大学和Boyce Thompson植物研究所的物理学家和植物学家们，通过先进的3D实时成像系统首次捕捉到了植物根部运用机械力的过程，揭示了在艰苦的土壤环境中植物根部能够顽强生长的潜在原因。该研究提前发表在美国国家科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences）的网站上。由于气候条件改变或者过度放牧，许多曾经肥沃的土地都渐渐贫瘠起来，土质变得干燥而坚硬，这项研究成果有望帮助人们培育适应这种劣质土壤的农作物。

研究人员在一种特殊的透明凝胶中培养苜蓿Medicago truncatula，这种凝胶分为上下两层，上层柔软而下层坚硬。一开始苜蓿的根部径直向下生长，但遇到下层坚硬的凝胶时，苜蓿的根开始扭曲形成弹簧状。这就如同当我们一直朝着一个方向拧绳子，绳子会自然的卷曲起来一样。

研究人员用3D实时成像技术跟踪记录了野生型苜蓿Medicago truncatula的根部在凝胶中的生长过程。他们在上下两层凝胶的交界处发现，苜蓿根部在刺入下层凝胶之前会形成螺旋状。研究人员认为这种现象是由于生长带来的机械力与环境阻力共同作用使根尖弯曲，同时这种弯曲形成了根部的扭转。他们还分析了不同凝胶硬度下，根部螺旋的形态，他们发现苜蓿根部螺旋的大小与凝胶硬度有关，并且这种相关性与他们建立的数学模型相符。研究人员指出，这一模型的参数能够体现不同植物株之间的差异。

 “当苜蓿的根部遇到坚硬的阻碍物时，就像铁丝被压一样会发生弯曲。而植物根部通过扭曲，使根部呈现出弹簧似的螺旋，这样其根尖就能够获得更多的力，推开更多的凝胶，”文章的第一作者，康奈尔大学研究生Jesse Silverberg说。

该研究结合了3D成像与数学建模，为人们揭示了植物根部生长的模式，展示了机械力在确定植物根部形态中起到的作用。通过这项研究，研究人员开创性的发现了根部形态、根部生长和机械力产生之间的潜在联系。

“假如植物在生长中遇到了坚硬的土壤层，它的根部就需要额外的力来挤入这些障碍物。数学模型能够告诉我们，植物根部要做到这一点需要多大的螺旋。大致上讲，土质越坚硬，植物根部所需的螺旋就越大，”Silverberg说。研究人员还通过3D实时成像技术发现，74%的苜蓿根部都是以逆时针的方式扭曲。Silverberg称根据他们的模型，进一步的研究将会在其他种属植物中揭示类似的根系行为。

（生物通编辑：yeyu）

生物通推荐原文摘要：

3D imaging and mechanical modeling of helical buckling in Medicago truncatula plant roots

We study the primary root growth of wild-type Medicago truncatula plants in heterogeneous environments using 3D time-lapse imaging. The growth medium is a transparent hydrogel consisting of a stiff lower layer and a compliant upper layer. We find that the roots deform into a helical shape just above the gel layer interface before penetrating into the lower layer. This geometry is interpreted as a combination of growth-induced mechanical buckling modulated by the growth medium and a simultaneous twisting near the root tip. We study the helical morphology as the modulus of the upper gel layer is varied and demonstrate that the size of the deformation varies with gel stiffness as expected by a mathematical model based on the theory of buckled rods. Moreover, we show that plant-to-plant variations can be accounted for by biomechanically plausible values of the model parameters.