植物が硬い土壌を突き抜ける工学的原理を解明(Plants use engineering principles to push through hard soil)

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2025-11-26 コペンハーゲン大学(UCPH)

コペンハーゲン大学の研究者らは、植物が硬い土壌を突破する際に、工学的原理と同様の力学戦略を用いて根を前進させていることを明らかにした。研究チームは、根の先端が土壌を押し広げる際の力の伝達・応力分布・根組織の変形を高解像度で計測し、植物が機械工学に似た最適化構造を自然に形成していることを発見した。特に、根の先端部は「生体エンジニアリングされたドリル」のように硬さと柔軟性を最適に組み合わせ、前方の土壌を破砕しつつ損傷を避ける構造となっていた。また、根内部では応力が均等に分散されるよう細胞壁の配置が調整され、外部環境に応じて力学特性を可塑的に変化させる能力も確認された。これらの知見は、干ばつ時の硬化した土壌でも根が成長できる作物育種や、根の力学を模した新たなロボティクス設計に応用できる可能性を示す。

植物が硬い土壌を突き抜ける工学的原理を解明(Plants use engineering principles to push through hard soil)
Cross-section of plant root in normal vs dense media (figure from the scientific article)

<関連情報>

エチレンは根の圧縮反応における細胞壁の力学を調節する Ethylene modulates cell wall mechanics for root responses to compaction

Jiao Zhang,Zengyu Liu,Edward J. Farrar,Minhao Li,Hui Lu,Zhuo Qu,Osvaldo Chara,Nobutaka Mitsuda,Shingo Sakamoto,Feiyang Xue,Qiji Shan,Ya Yu,Jingbin Li,Xiaobo Zhu,Mingyuan Zhu,Jin Shi,Lucas Peralta Ogorek,Augusto Borges,Malcolm J. Bennett,Wanqi Liang,Bipin K. Pandey,Dabing Zhang & Staffan Persson
Nature  Published:26 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09765-7

Abstract

Soil stresses affect crop yields and present global agricultural challenges1. Soil compaction triggers reduction in root length and radial expansion driven by the plant hormone ethylene2. Here we report how ethylene controls cell wall biosynthesis to promote root radial expansion. We demonstrate how soil compaction stress, via ethylene, upregulates Auxin Response Factor1 in the root cortex, which represses cellulose synthase (CESA) genes. CESA repression drives radial expansion of root cortical cells by modifying the thickness of their cell walls, which results in a thicker epidermis and thinner cortex. Our research links ethylene signalling with root cell wall remodelling, and reveals how dynamic regulation of cellulose synthesis controls root growth in compacted soil.

生物工学一般
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