卷曲生长：从藤蔓到根系——植物如何通过“扭曲”应对环境
从早晨的风铃草蜿蜒爬升到篱笆杆，到葡萄藤螺旋式爬过乔木棚，扭曲的生长方式在植物界广泛存在，它是一个解决问题的工具。根部的“扭曲”更是无时无刻不在进行——它们偏向右或左，躲避岩石与其他障碍。
科学家早已知道，某些基因突变（主要是缺失突变，即“null mutations”）会导致植物出现扭曲生长。缺失一个基因本应会给植物带来各种其他问题，却能产生如此普遍的进化适应，这对植物学家而言一直是个谜。
华盛顿大学圣路易斯分校生物学George与Charmaine Mallinckrodt教授Ram Dixit 与前博士生Natasha Nolan，以及WashU McKelvey工程学院机械工程师Guy Genin 一同寻找答案。他们的研究已发表在《Nature Communications》上。
这种植物根是新研究中研究植物扭曲根系分子基础的一部分。图片来源：Dixit lab
树皮层的细胞粘附减少可抑制扭曲研究显示，扭曲不需要完整的基因缺失，而只需在特定部位——植物的外表层——调节基因表达。
“这也许解释了它如此普遍：你不需要缺失突变，只需在树皮层中微调某些基因。” ——Ram Dixit
该研究得益于美国国家科学基金会（NSF）工程力学生物学（CEMB）科学与技术中心的支持，WashU 与全美各地生物学、工程学、物理学专家共同探讨物理力如何塑造生物系统。
“这项发现正是我们中心所设计的典型案例。” ——Guy Genin，哈罗德与凯瑟琳·福特机械工程教授、CEMB联合主任 “通过将生物实验与机械建模相结合，我们发现根的最外层通过同样的扭转物理学（由外部扭矩产生的扭曲）主导其扭曲行为，就像空心管能与实心棒一样强大。几何形状决定一切。”
适应挑战的根系——对农业的意义了解根系如何在土壤中导航比纯粹的进化好奇心更为迫切。气候变化加剧干旱，把农业推向岩石多、土壤紧实的边缘土地；在这些极端条件下生长的作物需求愈发重要。
“根是农业的隐形半部。” ——Charles Anderson，宾夕法尼亚州立大学生物学教授、CEMB共同主作者 “植物寻找水分与养分的能力完全取决于根系如何探测土壤。如果我们能了解根系如何扭曲绕过障碍，便能帮助作物在目前无法耕种的地区生存。”
扭曲生长还影响藤蔓攀爬、茎木抗风、植物防止侵蚀等——这些因素对粮食安全与生态系统韧性至关重要。
破解谜团：树皮层主导扭曲使用可左右偏斜的模型植物系统，Nolan 试图确定哪些细胞层调控扭曲行为。
植物细胞被刚硬的细胞壁紧密粘连；团队假设扭曲产生自内层皮层，突变导致细胞变短宽而非长细。推测是因为内层细胞须“倾斜”以保持结构完整并与其短粗的邻居保持联系，从而出现扭曲表型。
Nolan 当时在 Pivot Bio 工作，想尝试通过细胞层特异性表达野生型基因（保持根系直线）来恢复直根，而不是像之前那样在整根中表达。
最震撼的发现是：如果在任意内层细胞中表达野生型基因，植物仍然与 null 突变扭曲相同——“无论你在内层细胞中生成了该蛋白，似乎就像它根本不存在。”
相反，只在树皮层表达野生型基因，根系恢复直立。由此研究者得出结论：树皮层是决定扭曲行为的主导细胞层。
“树皮层不是被动的外壳，而是整个器官生长的机械协调器。” ——Ram Dixit
随后，Genin 与 Anderson 的力学家团队介入，测定 mutant 与 wild‑type 根系中纤维素微纤维的取向。扭曲缺陷似乎改变了纤维素沉积，而 Genin 用这些数据创建了计算机模型，解释树皮层为何主导。
“你有同心层次的细胞，如树干的环，外层环对整体结构的杠杆效应远大于内层。” ——Guy Genin “模型显示，如果只有树皮层细胞文件偏斜，它可驱动约三分之一的总扭曲；但如果仅修复树皮层，整个根系就能恢复直立。数学结果毫不含糊：外层主宰一切。”
模型验证了 Nolan 的实验结果：当她只在树皮层表达野生型基因时，即使内层细胞仍携带突变，内层细胞的形态也会变长变细，几乎像野生型那样。
“树皮层能对内层细胞产生“引导”效应。” ——Ram Dixit “树皮层不是被动的皮肤，而是整个器官生长的机械协调者。”
应用于农业：设计扭曲度的根系现在科学家知道植物如何“扭曲”，就能将发现用于解决农业挑战。
“想象一下，能够设计根系扭曲度的植物——在岩石多、土壤不适的环境下，你可能想要根系能够螺旋穿过障碍。” ——Charles Anderson
这项研究提供了靶点与机械框架，帮助工程思考根系架构如同工程问题。
多视角协同：生物、工程、物理的交叉
Genin 认为这类问题需要多学科视角：
“单靠生物学家可能会发现树皮层重要，但没有工具解释原因。单靠工程师则无法完成遗传实验与表型测定。” ——Guy Genin “在中心内，生物学家、工程师与物理学家相互补充，才得以获得完整图景。”
勇编撰自论文"The epidermis coordinates multi-scale symmetry breaking in chiral root growth".Nature Communications.2025相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。