基于GG/PAM双网络弹性水凝胶的往复压缩机械刺激对油菜根系表型的工程化调控

针对植物根系对动态机械刺激响应机制不明的问题，研究人员通过低酰基结冷胶/聚丙烯酰胺（GG/PAM）双网络弹性水凝胶构建仿生土壤体系，结合自主设计的往复压缩装置，首次揭示了周期性机械挤压可显著促进油菜侧根发育（增加241%），为根系表型工程化和农业抗逆育种提供了新策略。

　　

植物根系在自然环境中时刻面临土壤机械阻抗的挑战，传统研究多聚焦静态机械刺激的影响，而动态机械作用如何塑造根系构型仍是未解之谜。更棘手的是，土壤不透明特性使得原位观察根系响应异常困难，现有X射线断层扫描等技术又存在成本高、操作复杂等局限。与此同时，常规水凝胶培养基质普遍存在力学性能差、易脆裂等问题，难以模拟真实土壤的弹性力学环境。

针对这些瓶颈，研究人员创新性地开发了低酰基结冷胶/聚丙烯酰胺（GG/PAM）双网络弹性水凝胶体系。这种水凝胶不仅具备93%的透光率和2.4倍机械增强特性（压缩应力达6.13 kPa），其独特的"刚性GG网络+柔性PAM网络"结构更能通过氢键作用（3349 cm^-1蓝移）实现能量耗散与结构稳定的平衡。研究团队设计了一套可精确控制频率（每5秒压缩1次）的往复挤压装置，在持续3周的动态刺激下（累计362,880次循环），首次发现机械挤压可使油菜侧根数量激增，根表面积和体积分别提升2.1倍和1.8倍。

关键技术包括：1）GG/PAM双网络水凝胶制备（m(GG):m(AM)=1:7.5）；2）往复压缩机械刺激系统（10 mm位移量）；3）冷冻扫描电镜（SEM）孔隙分析（ImageJ统计100个孔径）；4）WinRHIZO根系表型定量（800 dpi分辨率）。

【研究结果】
2.1. 水凝胶培养体系
GG物理网络提供刚性支撑，PAM化学网络通过自由基聚合形成柔性骨架，两者氢键作用（N-H...O=C）使水凝胶在50%应变下仍保持2.54 kPa抗压强度。

2.3. 力学性能增强
持续挤压使水凝胶压缩模量提升至初始值的2.4倍，SEM显示平行挤压方向孔径保持稳定（中心区2.61 μm vs 边缘区3.40 μm），而垂直方向因褶皱效应出现4.01 μm局部扩张。

2.6. 根系表型调控
机械刺激组在3周后出现显著侧根增殖现象，5周时根尖数量达对照组的3.2倍。有趣的是，主根呈现螺旋卷曲构型，研究者认为这与PAM网络交联密度不均导致的趋软性生长有关。

2.7. 定量分析
WinRHIZO数据显示，机械刺激使根系分叉数增加298%，证实动态挤压能诱导根系形成"锚定增强型"构型，这与自然界中植物应对土壤机械阻抗的策略高度一致。

这项发表于《Advanced Agrochem》的研究开创性地证实：周期性机械刺激可通过激活根中柱鞘细胞分裂，程序化地调控侧根发生。这种"力学记忆"效应不仅为理解植物机械感知机制提供了新视角，其研发的GG/PAM弹性培养体系更突破了传统水凝胶的力学局限，为作物根系定向改良和智能农业装备研发奠定了材料基础。特别值得注意的是，该装置可实现362,880次循环压缩后仍保持性能稳定，这种耐久性使其在植物工厂化育苗领域展现出独特优势。未来通过耦合基因编辑技术，或可建立机械刺激-表型-基因的精准调控网络，推动农业育种进入"力学编程"新时代。