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根毛(root hair)幫助植物穿透壓緊的土壤

 

圖片來源:維基百科


根毛對植物的水分與養分吸收非常重要,他們增加根的表面積,促進水分與養分的吸收[1]。過去的研究知道,轉錄因子、植物荷爾蒙、蛋白質都會影響根毛的發育。

根毛對植物的影響,依不同的植物有所不同。研究發現,比較長的根毛對植物的影響比較大。在穀物中,大麥的根毛比較長,而水稻與玉米的根毛比較短。

自從農業機械發明之後,「土壤壓實」的問題就開始出現。土壤壓實是一種常見的土壤物理問題,通常由於外力作用導致土壤顆粒緊密排列,減少了土壤孔隙率。這種現象會對植物的生長帶來負面影響,因為它降低了土壤的透氣性和滲透性,增加了根部穿透的難度。

土壤壓實對植物生長的負面影響主要表現在限制了根部的生長空間、降低了土壤的空氣和水分流動性,並可能阻礙營養物質的吸收。因此,在管理農田和綠地時,採取措施防止土壤壓實是非常重要的。這可能包括限制重型機械使用、適當的放牧管理、保持良好的土壤水分條件等策略。

由於土壤壓實是無法避免的問題,有科學家就想了解,根毛能不能穿透壓實的土壤,幫助植物吸收水分與養分呢?

為了研究這個問題[2],研究團隊開發了用瓊脂模擬壓實土壤的系統。他們使用低濃度的瓊脂(1%)模擬較軟的土壤層,使用高濃度的瓊脂(3%)來模擬壓實層。為什麼不直接用土壤,主要是因為要定量土壤壓實的程度比較困難,而且從土壤中取出植物的根,很難不傷及根毛。

研究團隊發現,當水稻根部遇到壓實的土壤時,生長素(auxin)的合成會上升,並透過OsAUX1這個生長素運輸蛋白從根尖運輸到根毛區域,進而促進根毛的伸長,增強根部的錨定力和穿透能力。

他們觀察到,一個稱為OsYUC8的生長素生合成基因,在根尖遇到壓實的土壤時,其表現量會上升。使用使用生長素報告基因也看到,根尖在遇到壓實的土壤時,生長素的合成上升,並且生長素朝著根向根毛區域移動。

由於生長素的移動需要有生長素運輸蛋白,但是植物有非常多的生長素運輸蛋白,究竟是哪一個呢?進一步的研究發現,是OsAUX1這個生長素運輸蛋白:當OsAUX1基因發生突變,導致植物無法製造OsAUX1時,根尖合成的生長素就無法運到根毛了。而且,突變株的根部在遇到3%的瓊脂時,會沿著兩層瓊脂的交界生長,而不是穿入3%的瓊脂。

另外,研究團隊也用了兩個與根毛發育相關的突變株,其中一個是rhl1(roothairless1),另一個是csld1(cellulose synthase-like D1)。這兩個突變株的根毛都非常短甚至幾乎不存在。 當他們把這兩個突變株種植在他們開發的瓊脂系統裡,這兩個突變株在遇到3%的瓊脂時,也出現沿著交界平行生長的狀態,且加入生長素也不會改變他們的狀態。這表示生長素對根毛發育的作用是位於這兩個基因的上游,而且根毛能不能成功發育會直接影響植物根部穿透壓實土壤的能力。

總而言之,根毛對於植物能不能穿透壓實土壤,有非常大的影響。別小看這跟頭髮差不多細(根毛的直徑大約是15-17 微米,人的頭髮的直徑是17-180 微米)的根毛,它對植物的重要性可大著呢!

參考文獻:

[1] Jan, Vanderborght. (2023). The role of root hairs in root water uptake - Insights from an image-based 3D model. doi: 10.5194/egusphere-egu23-13626

[2] Kong et al., Root hairs facilitate rice root penetration into compacted layers, Current Biology (2024), https://doi.org/ 10.1016/j.cub.2024.03.064

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