这些研究人员正在深入研究根科学 | 科学

想象一株植物——你最喜欢的花、室外花园的药草或一棵庄严的树。 当您想象植物群的元素时，您是否记得将根包括在内？ 如果你没有，那么你的同伴就很好。

“根肯定是植物系统的核心，但当谈到植物生物学的关注和研究时，焦点主要集中在地上芽、叶子组织和光合作用，”说 阿米尔·阿卡米，能源部太平洋西北国家实验室的生物学家。

根通常是 植物生物量的至少一半，但考虑到对这些关键卷须的科学研究很少，你不会知道这一点。 直到最近，在收藏研究、气候科学和微生物学等领域，科学家们才开始让植物根部享受阳光照射。 从历史上看，造成这种差异的原因非常简单：研究必须挖掘的东西并不那么容易。

尽管如此，几百年前的科学家们还是设法用巧妙的方法研究了这些难以捉摸的课题。 早在 19 世纪，植物学家朱利叶斯·冯·萨克斯 (Julius von Sachs) 就在一个 玻璃面根盒 研究它们的根系统 现场。 他的同时代生物学家 Edward Janczewski、Sydney Howard Vines 和 Wilhelm Pfeffer 分别在我们对根系生长、发育和渗透的理解方面取得了重要进展。 然而，几个世纪以来的专业化将根科学与其他植物学隔离开来，促使作者们 大根教科书 将他们的作品副标题为“隐藏的一半”。 但现在，技术进步和惊人认识的结合推动了根系的科学复兴：我们现在知道，根可以帮助我们 跟踪我们不断变化的世界，塑造粮食安全并塑造我们的未来。

回顾根科学的历史

几个世纪以来，收藏专家一直在观察标本的肮脏根部，并认为它们充其量只是污染。 对于这些负责收集数百至数十万干燥植物样本的植物标本室的专家来说，由于多种原因，植物根对保存来说是一个麻烦。 完整的根系可能会使收集过程复杂化，并且超出标准植物标本室的尺寸（16.5 英寸 x 11.75 英寸）。 此外，害虫可能隐藏在附着在标本根部的土壤中，如果不及时和积极地处理，有可能毁掉整个收藏品。这些并发症的结果是根部被破坏。 通常不包括在内 在样本中。 2019 年一项研究 成立 在植物标本馆研究的四个重点物种的标本中，只有四分之一包含根。

该研究的合著者、植物学家梅森·赫伯林 (Mason Heberling) 重点研究了 48 个确实含有根的标本，这些标本是在 127 年的时间里收集的。 他没有把注意力集中在根系统的缺点上，而是开始认识到它们作为原始的、未开发的时间胶囊的潜力。

“让我兴奋和感兴趣的是这些标本有点脏，”他说。 “当我看到一个 100 多年前收集的标本时，我感到很震惊，然后推而广之，我也想，‘天哪，根上有一些有 100 多年历史的泥土。’”

匹兹堡卡内基自然历史博物馆植物学副馆长赫伯林研究了植物标本馆收藏中有关植物根的现有文献。 他两手空空而来， 写作 2022 年，据他所知，还没有研究对植物标本室样本中的根部特征（如长度、直径、质量或微生物组成）进行过研究。 他写道，植物标本室是此类数据的“未开发的存储库”。

赫伯林决定进行一些他认为被忽视的研究。 在仔细检查了他收藏的干燥样本后，他注意到植物的根部在死后很久仍保存着大量的真菌 DNA。 就像人类将消化的关键部分外包给居住在我们肠道中的微生物一样，植物也依靠类似的微生物网络来产生激素、处理营养物质和抵抗疾病。 这些真菌可以包裹根部，甚至穿透其外层，就像丛枝菌根真菌一样。 与人类微生物组一样，什么构成“自我”与“他人”的问题很大程度上是一个哲学问题：从植物或人身上去除微生物，有机体就无法茁壮成长。

赫伯林推断，干燥植物的根部会有一种独特的真菌，可以作为特定地点和时间的快照。 有了这些数据，他就能够回答有关植物物种的基本问题，这些植物物种在过去两个世纪里在博物馆收藏中得到了很好的体现。 定殖于一个物种的丛枝菌根真菌在其整个地理范围内是否一致，或者不同的区域是否可能与它们自己的微生物相关？ 这些群落的构成是否随着时间的推移而发生变化，以应对气候变化、酸雨和入侵物种？

“尽管有很多非常有趣的研究和很多关于 [root biology]，有很多我们不知道的事情，”他说。

他的第一次努力，详细说明 2019年学习证实了他的预感，即可以从 48 个保存标本中的 21 个标本的根部成功分离出真菌 DNA，这些标本代表了 1881 年至 2008 年间采集的四种宾夕法尼亚州西部野花。此外，Heberling 和凯斯西储大学生物学家 David Burke 还添加了一个巧妙的方法进行对照实验，以确保这些真菌不是标本采集后引入的污染物。 他们尝试从标本的叶子中分离丛枝菌根真菌 DNA，但失败了。 由于这些真菌仅定植于植物根部，因此叶子上存在真菌就表明存在污染。

现在，赫伯林的博士后研究员本·李正在利用植物标本室的记录来重建白色延龄草的真菌群落，白色延龄草是一种在北美东部发现的野花。 通过绘制这些跨越时空的群落图，这项研究将使科学家以前所未有的方式审视过去，看看我们的行为如何塑造一朵引人注目的花朵的轨迹。

“全球变化的重大问题是：这些菌根群落是否随着时间的推移而发生变化？ 因为我们真的不知道。 它是看不见的，”赫伯林说。 他补充道，李“正在研究这些隐形参与者的可见影响”。

将模型扎根于根的能力

植物由于其碳汇作用而在气候模型中发挥着关键作用。 它们在活着时通过去除空气中的二氧化碳并将其转化为糖来封存碳和其他元素。 其中一些糖用于形成根；另一些则用于形成根。 根部还会燃烧糖并将碳释放回大气中。 根部形态和效率的变化会改变特定植物吸收和再循环的碳和其他养分的量。 但气候模型历史上并未将根系的多样性纳入其计算中。

“许多试图预测地球气候和碳循环的模型都集中在地上植物特征上，”田纳西大学诺克斯维尔分校的生态学家和进化生物学家斯蒂芬妮·基夫林说。 “他们中的大多数甚至根本不包含根——他们只是假设根都是一样的。”

基夫林意识到这些模型需要更真实的根表示，但她承认调整大型气候模型并不像插入一行代码那么容易。 计算机通过求解一个问题来模拟气候 一些复杂的方程 关于空气、水和能量的运动和循环。 引入变量，例如有关根系统的信息，可以使计算机对这些方程的解更加准确，但它们也变得更加难以求解。 这些方程越难，需要的时间、计算能力和资源就越多。

Kivlin 和她的合作者在这些限制下工作 调整了全球气候模型 包括丛枝菌根真菌和外生菌根真菌，它们不穿透根部。 这两类真菌诱导植物以截然不同的方式循环水、氮和其他元素。 她和她的合著者发现，考虑丛枝菌根真菌和外生菌根真菌的气候模型在预测氮循环方面的准确度提高了 80%。 当土壤中的氮含量较少时，植物无法有效地积累碳，从而限制了它们作为汇的潜力。 通过考虑两种根真菌之间的二分性，基夫林找到了一种在仅引入单个变量的情况下改进气候模型的有效方法。

通过更好地了解作物的根源来支持作物

微生物对植物最重要的作用之一是增加根部对水、磷、铜和锌等重要营养物质的摄入量。 这些化合物的平衡决定了植物的生长及其面对极端天气事件的恢复能力。 通过了解给定植物物种的理想根系是什么样子，农民可以将两种天然强健的植物一起培育，并培育出更耐寒的作物品种。

利用这一巨大潜力来改良作物就是原因 乔纳森·林奇是一位最近退休的宾夕法尼亚州立大学生物学家，他的职业生涯致力于研究根。

“我进入科学领域时并没有想过自己会成为一名根生物学家。 我进入科学领域是想为世界饥饿做点什么，”他说。 “但我的工作清楚地向我表明，这里发生的真正事情是有根源的。”

全球饥饿飙升至 历史新高 2023 年，由于冲突和气候变化的影响。 一月份，作者 联合国报告 据估计，全球近四分之一的人口遭受干旱。 林奇在职业生涯早期就意识到，高产作物和低产作物之间的差异只会在条件恶劣的情况下加剧。

正如他所说，在“坏土壤”中，“好植物和坏植物的区别就在于根部。” 当土壤资源有限时，有弹性的根系可以更深地渗透并充分利用其环境。

但 40 年前，人们对有前景的根系的特征还没有明确的定义。 因此，林奇和他的同事发明了一种评估植物根部的方案，他们称之为“铲组学”。 子学科基本上是指研究一切可以用铲子连根拔起的东西。

Shovelomics 将尖端的实验室技术替换为任何五金店都可以买到的流行金属工具。 林奇的 协议 该子学科涉及识别和挖掘样本，然后创建可以判断多种植物根系的指标。 根的数量和分枝的速度； 它们的长度； 它们的直径； 它们从植物芽中出现的角度都可以进行丰富的比较。

当林奇在 2010 年首次提交有关铲子组学的论文时，他说一位期刊编辑威胁要埋掉这篇论文，因为这个名字听起来很愚蠢。 尽管早期存在疑虑，“很多人已经开始接受铲土经济学，”他说。 在研究引擎 Google Scholar 上搜索铲组学 出现 发表学术论文1,200多篇。

但阿卡米说，要求研究人员铲起整个植物来监测其根部仍然是发现的障碍。 “除非是在季节或你的实验结束时，你不再需要这些植物，否则你可能不想把整个植物挖出来，”他说。

如果有量化根系统的非侵入性方法怎么办？ 一些研究人员正在测试方法和技术来研究根部留在地下的情况。 总部位于华盛顿的 CID Bio-Science 公司创建了微型根管管，这是一种安装在地下的透明管和摄像头，用于实时捕捉根部生长情况。 就林奇而言 最近共同撰写 一项新研究利用植物叶子中锶元素的测量来估计根的长度。 他说，这项工作很快就会推出地面监测装置。

“你甚至可以想象一个 [device with a] 林奇说：“当你照射更深的植物的叶子时，它会发出一点绿光，而较浅的植物则会发出红光。”

林奇表示，此类设备可以帮助农民和植物育种者选择更耐寒的作物品种——根部更粗、更长或更密，可以吸收稀缺的养分——这与之前的农业革命相比是一个显着的转变。 过去，农民应用化肥和自动化灌溉等创新技术来最大限度地提高农作物的可用养分。 然而，随着人类资源有限，这种策略不再站得住脚。

“我们不能只靠施肥和灌溉来摆脱一切，”他说。 “这是第二次绿色革命，我认为这些根源将是关键。”