PNAS | 隐藏的“根之舞“！杜克大学研究揭示植物根部回旋生长的机制和功能！

美国杜克大学的研究人员一直在研究一些对我们的眼睛来说发生得太慢的东西。生物学家Philip Benfey实验室的一个团队想看看植物的根是如何钻进土壤的。于是他们在透明凝胶中发芽的水稻种子上架设了一个摄像头，在发芽后的几天里，每隔15分钟拍摄一张新照片。近日，国际权威学术期刊PNAS发表了这项研究工作，题为Mechanism and function of root circumnutation的研究论文。

当他们以每秒15帧的速度回放他们的镜头，将100个小时的生长过程压缩成不到一分钟的时间时，他们看到水稻根部使用了一种技巧来获得它们在土壤中的第一个立足点：它们的生长尖端做出开瓶器般的运动，在螺旋路径上摇摆和缠绕。通过使用他们的延时镜头，以及一个类似根部的机器人来测试想法，研究人员获得了关于植物根尖如何以及为什么在它们生长时旋转的新见解。

第一个线索来自于团队注意到的其他东西：有些根不能跳开瓶舞。他们发现，罪魁祸首是一种名为HK1的基因突变，使它们直直地向下生长，而不是像其他根一样盘旋蜿蜒。研究小组还注意到，突变的根比正常的根长得深两倍。这就提出了一个问题：更典型的螺旋状根尖生长对植物有什么作用？

甚至在150年前，植物中的缠绕运动是一种让达尔文着迷的现象。就嫩芽而言，有一个明显的效用：缠绕和盘旋使它们在向阳光攀登时更容易获得抓地力。但根部如何以及为什么会发生这种情况更像是一个谜。发芽的种子有一个挑战，如果它们要存活下来，出现的第一条细小的根必须固定植物，并向下探出，吸取植物生长所需的水分和养分。也许在根尖中，这种螺旋式生长是一种搜索策略--寻找最佳前进路径的方法。

在佐治亚理工学院物理学教授Daniel Goldman的实验室进行的实验中，对正常的和突变的水稻根在一块有孔的塑料板上生长的观察显示，正常的螺旋形根找到一个洞并长到另一边的可能性高出三倍。佐治亚理工学院和加州大学圣巴巴拉分校的合作者们制造了一个柔软的可塑性机器人，它像根一样从顶端展开，并使其在由间距不等的钉子组成的障碍物路线中松动。为了制造这个机器人，该团队拿了两根充气塑料管，并将它们互相嵌套在里面。改变气压将柔软的内管由内向外推动，使机器人从顶端开始拉长。收缩对立的人工"肌肉"，使机器人的尖端随着它的成长而左右弯曲。即使没有复杂的传感器或控制装置，机器人的根部仍然能够通过障碍物，并在钉子中找到路径。但当左右弯曲停止时，机器人很快就会被钉子卡住。

最后，研究人员将正常的和变异的水稻种子种植在一种用于棒球场的混合泥土中，以测试它们在根部实际上会遇到的障碍物中的抵抗力。果然，虽然这些突变体难以扎根，但长着螺旋状尖端的正常根却能钻过去。根尖的螺旋状生长是由植物激素辅酶协调的，研究人员认为这种生长物质可能以波浪状的方式在生长的根尖周围移动。生长素在根的一侧堆积会导致这些细胞的伸长率低于另一侧的细胞，根尖就会向这个方向弯曲。研究人员发现，携带HK1突变的植物不能跳舞，是因为生长素在细胞之间的运输方式存在缺陷。阻止这种激素，根部就会失去旋转的能力。这项工作有助于科学家了解根是如何在坚硬、压实的土壤中生长的（Science | 诺丁汉大学和张大兵团队揭示植物根部通过限制乙烯扩散来感知土壤压实度！）。

图1. hk1突变体的表型分析

图2. HK1下游分子信号的特征

图3. 生长素运输和反应调节环育的证据

图4. hk1的地表勘探能力下降

图5. 异质基质中根部生长的机器人物理模型

图6. hk1在穿透颗粒状基质方面存在缺陷

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