在地球上絕大多數環(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(shuō)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(lái)呢?

近日，康奈爾大學(xué)和Boyce Thompson植物研究所的物理學(xué)家和植物學(xué)家們，通過(guò)先進(jìn)的3D實(shí)時(shí)成像系統捕捉到了植物根部運用機械力的過(guò)程，揭示了在艱苦的土壤環(huán)境中植物根部能夠頑強生長(cháng)的潛在原因。該研究提前發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences）的上。由于氣候條件改變或者過(guò)度放牧，許多曾經(jīng)肥沃的土地都漸漸貧瘠起來(lái)，土質(zhì)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(zhì)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(kāi)始苜蓿的根部徑直向下生長(cháng)，但遇到下層堅硬的凝膠時(shí)，苜蓿的根開(kāi)始扭曲形成彈簧狀。這就如同當我們一直朝著(zhù)一個(gè)方向擰繩子，繩子會(huì )自然的卷曲起來(lái)一樣。

研究人員用3D實(shí)時(shí)成像技術(shù)跟蹤記錄了野生型苜蓿Medicago truncatula的根部在凝膠中的生長(cháng)過(guò)程。他們在上下兩層凝膠的交界處發(fā)現，苜蓿根部在刺入下層凝膠之前會(huì )形成螺旋狀。研究人員認為這種現象是由于生長(cháng)帶來(lái)的機械力與環(huán)境阻力共同作用使根尖彎曲，同時(shí)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)現苜蓿根部螺旋的大小與凝膠硬度有關(guān)，并且這種相關(guān)性與他們建立的數學(xué)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(shí)，就像鐵絲被壓一樣會(huì )發(fā)生彎曲。而植物根部通過(guò)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(kāi)更多的凝膠，”文章的*作者，康奈爾大學(xué)研究生Jesse Silverberg說(shuō)。

“假如植物在生長(cháng)中遇到了堅硬的土壤層，它的根部就需要額外的力來(lái)擠入這些障礙物。數學(xué)模型能夠告訴我們，植物根部要做到這一點(diǎn)需要多大的螺旋。大致上講，土質(zhì)越堅硬，植物根部所需的螺旋就越大，”Silverberg說(shuō)。研究人員還通過(guò)3D實(shí)時(shí)成像技術(shù)發(fā)現，74%的苜蓿根部都是以逆時(shí)針的方式扭曲。Silverberg稱(chēng)根據他們的模型，進(jìn)一步的研究將會(huì )在其他種屬植物中揭示類(lèi)似的根系行為。

該研究結合了3D成像與數學(xué)建模，為人們揭示了植物根部生長(cháng)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(guò)這項研究，研究人員開(kāi)創(chuàng )性的發(fā)現了根部形態(tài)、根部生長(cháng)和機械力產(chǎn)生之間的潛在。