在地球上絕大多數(shù)環(huán)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(tǒng)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(huán)境中植物根部能夠頑強生長的潛在原因。該研究提前發(fā)表在美國國家科學院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)的上。由于氣候條件改變或者過度放牧,許多曾經(jīng)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(nóng)作物。
研究人員在一種特殊的透明凝膠中培養(yǎng)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(fā)現(xiàn),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(xiàn)象是由于生長帶來的機械力與環(huán)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(tài),他們發(fā)現(xiàn)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(shù)學模型相符。研究人員指出,這一模型的參數(shù)能夠體現(xiàn)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(fā)生彎曲。而植物根部通過扭曲,使根部呈現(xiàn)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*作者,康奈爾大學研究生Jesse Silverberg說。
“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(shù)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(fā)現(xiàn),74%的苜蓿根部都是以逆時針的方式扭曲。Silverberg稱根據(jù)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。
該研究結合了3D成像與數(shù)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(tài)中起到的作用。通過這項研究,研究人員開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)了根部形態(tài)、根部生長和機械力產(chǎn)生之間的潛在。
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