Природные подземные инженеры: как корни растений могут спасти урожай от засухи

Инженерное искусство под ногами

Вы когда-нибудь задумывались, как хрупкий корень растения может пробиться сквозь твёрдую землю? Это настоящее инженерное достижение, происходящее прямо у нас под ногами.

Почему это важно

Понимание этого процесса приобретает особую актуальность в условиях нарастающих засух и борьбы с уплотнением сельскохозяйственных угодий, которое угрожает нашей продовольственной безопасности. Уплотнение почвы, часто вызванное весом тяжёлой сельскохозяйственной техники, значительно усложняет доступ корней к воде и питательным веществам.

Недавнее исследование

Наше недавнее исследование, опубликованное в npj Biological Physics and Mechanics, проливает свет на мощную механику, которую корни используют для прорыва сквозь твёрдые почвы и даже разрушения твёрдого мела.

Биопores и их роль

Представьте себе рентгеновское зрение, проникающее в тайную жизнь корней. Рост корней формирует каналы, известные как биопores, которые улучшают дренаж воды, позволяя воздуху и воде проникать глубже в почву. Биопores также поддерживают важные микробные экосистемы, такие как бактерии и грибы, взаимодействующие с растениями, многие из которых требуют кислорода, который обеспечивают эти воздушные промежутки.

Эксперимент в Diamond Light Source

Чтобы увидеть, что происходит в этом масштабе, мы не могли просто выкопать растение. Мы провели эксперимент в Diamond Light Source в Великобритании. Этот научный центр является домом для синхротрона — типа ускорителя частиц, который работает как сверхмощный микроскоп. Он производит рентгеновские лучи в 10 миллиардов раз ярче солнечного света. Мы сфокусировали эти рентгеновские лучи на искусственной модели корня, что позволило нам провести контролируемые измерения.

3D-рентгеновская визуализация

Сначала, чтобы увидеть форму почвы, мы использовали 3D-рентгеновскую визуализацию, которая работает как медицинская компьютерная томография, для создания детальных изображений структуры почвы вокруг модели корня. Это позволило нам увидеть, как крошечные зёрна и поры в почве сжимаются и смещаются.

Фокусированная рентгеновская дифракция

Но чтобы измерить невидимые силы в игре, нам понадобилась другая техника — фокусированная рентгеновская дифракция. Измерение этих крошечных сил внутри обычной смеси зёрен почвы невозможно. Чтобы решить эту задачу, мы создали суррогатную почву из гипса — минерала с идеально упорядоченной природной кристаллической структурой. Каждый кристалл в почве действует как крошечная измеримая пружина. Когда модель корня вдавливается в почву, эти «пружины» сжимаются или растягиваются. Рентгеновская дифракция может обнаружить эти незначительные изменения.

Компьютерное моделирование

Этот подход, наблюдение за изменением структуры почвы и картографирование сил внутри неё, никогда ранее не применялся для решения подобных задач. Наша компьютерная симуляция подтвердила нашу теорию: материал начал деформироваться и деформироваться постоянно. По сути, почва перестала вести себя как сжатая пружина и начала вести себя как пластилин, сохраняя свою новую форму и создавая новый канал, который сохранится даже в сложных условиях.

Реальные последствия

Этот новый метод исследования открывает двери для изучения того, как корни растений взаимодействуют с почвой с беспрецедентной детализацией. Мы можем начать отвечать на вопросы, например: «Как различные формы корней дают некоторым растениям преимущество в твёрдой почве?»

Понимание подземной инженерии имеет реальные последствия. Фермеры часто полагаются на вспашку, чтобы разрыхлить поверхность почвы для посадки. Но это энергоёмко, дорого для фермера и может повредить долгосрочному здоровью почвы, увеличивая эрозию и высвобождая накопленный углерод в атмосферу.

Перспективы

Выявление корневых признаков, которые преуспевают в этих уплотнённых условиях, может помочь селекционерам растений разработать сорта сельскохозяйственных культур, более устойчивые к засухе и требующие меньшей подготовки почвы.

Оценка того, как корни формируют свою среду, может помочь в проектах по восстановлению дикой природы для омоложения чрезмерно возделываемых территорий. Например, специалисты по охране природы могут использовать эти идеи для отбора местных растений с мощными корневыми признаками, которые будут действовать как пионерные культуры. Их корни разрыхлят уплотнённую землю, создавая новые каналы для воды и прокладывая путь для возвращения более богатой экосистемы.

Заглядывая в мир под нашими ногами, мы можем научиться тому, как обеспечить себе продовольствие и возродить нашу планету.

Источник