植物の根の浮き上がり現象の力学的仕組みを解明～根の成長による浮力と土圧を上回る 根毛の強靭な摩擦効果～

【概要説明】

　植物の根は水と栄養を獲得するとともに地上部を力学的に支えるために土中に潜り込む必要があります。しかしながら，土中へ潜り込むには植物体の健全な成長や適切な土壌環境が必要であり，適切な条件でないと根は土中に貫入（かんにゅう）することができません。そのため，どのような環境条件あるいは力学条件で根の貫入が起きるかを理解することは植物科学の重要な課題でした。
本研究では，若いハツカダイコンの根が，土に隙間が空いていない高密度の土壌において，貫入できずに浮き上がる現象を発見しました（図1A）。また，播種から1日目の根毛の発達していない初期根でもまた貫入できずに浮き上がることもわかりました（図1B）。これらの実験結果は，土の環境条件および根の成長力学条件が貫入にとって重要であることを定量的に明確にしました。
東京工業大学，秋田県立大学，熊本大学，奈良先端科学技術大学院大学の共同研究グループは，土質工学の基礎杭に発想を得た根の貫入力学モデルを構築し，どのような力学条件下で根が貫入できるかを数理的に表現する根の貫入基準式を導出することに初めて成功しました。
この知見を利用することにより，植物科学におけるミクロな細胞成長動態と人間の目で見えるマクロな根の貫入や浮き上がりを結びつけることができるため，植物生理学の進展に寄与するばかりでなく，生物模倣工学や新しい基礎杭の提案など他分野に波及性の高い研究手法になる可能性があります。

 【今後の展開】

    本研究の達成により，根が土中に貫入できるかどうかをパラメータα，β，γにより定量的に議論することができます。例えば，図4のように有限要素法（※1）シミュレーションによりβの大小によって土へ貫入しやすさが異なることを明確に示すことができます。このように実際の観測をベースに理論的な基準式を立てて数値シミュレーションで実証する研究が増えていけば，今後さらに植物科学による詳細な生物学的知見と土質力学・構造力学による簡潔な力学的知見が融合し，実験と理論を横断的に考察する学術領域が生まれることが期待されます。

【論文情報】

　本研究成果は，米国電子ジャーナル Scientific Reports に令和5年5月9日午前 10:00（グリニッジ標準時、日本時間 JST 18:00）に掲載されました。

論文名：A Mechanical Theory of Competition between Plant Root Growth and Soul Pressure Reveals a Potential Mechanism of Root Penetration (植物根部の成長と土圧の競合を考慮した力学理論による根部貫入の潜在的な仕組みの解明)
著者：Haruka Tomobe, Satoru Tsugawa, Yuki Yoshida, Tetsuya Arita, Allen Yi-Lun Tsai, Minoru Kubo, Taku Demura, Shinichiro Sawa
掲載誌：米国電子ジャーナルScientific Reports

【詳細】　プレスリリース（PDF581KB）

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