有的植物連根也想喝西北風(fēng) ！氣生根“空中喝水”的奧秘到底是什么？

有的植物連根也想喝西北風(fēng)？

正文開始前，我們先來欣賞一波大自然的奇妙美景：

錦屏藤（圖片來源：張莉俊拍攝）

空氣鳳梨（圖片來源：張莉俊拍攝）

榕樹（圖片來源：veer圖庫）

當(dāng)你沉浸于錦屏藤“一簾幽夢”的美好景象時(shí)，當(dāng)你被古靈精怪的空氣鳳梨所吸引時(shí)，當(dāng)你驚嘆于榕樹獨(dú)木成林的強(qiáng)大本領(lǐng)時(shí)，是否還發(fā)現(xiàn)了它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)：長長的根都暴露在空氣中。

這些美麗而強(qiáng)大的自然奇觀是怎么形成的？它們又有什么作用呢？今天就跟大家聊一聊造成這些自然現(xiàn)象的幕后大佬——?dú)馍?/p>

Part.1

同樣是根，為什么有的在地上，有的在地下？

氣生根是植物在漫長的生存過程中，為適應(yīng)濕熱環(huán)境而形成的、行使特殊功能的器官。它是從植物地面上的莖或枝上發(fā)出來，暴露在空氣中的變態(tài)根。氣生根常見于蘭科、?？啤⑻炷闲强?、百合科、石蒜科的一些植物中，開篇中錦屏藤漂亮的紅色根便是氣生根的一種。

眾所周知，植物的根一般都是生長在地面以下的，稱為“地生根”，起著固定、吸收、輸送和儲藏營養(yǎng)物質(zhì)的作用。但是有些植物的根由于環(huán)境等原因會產(chǎn)生一些特殊功能，同時(shí)形態(tài)結(jié)構(gòu)上發(fā)生變異，這種現(xiàn)象稱為根的變態(tài)?！皻馍本褪且环N生長在空氣里的變態(tài)根。

植物的地生根和氣生根在一定的條件下可以互相轉(zhuǎn)化。例如，當(dāng)榕樹的氣生根扎入地下以后，就會變得和地生根完全相同，可以從地下吸取水分，對榕樹地上部分起支撐作用；而其地生根長久暴露在空氣中，特性也會和氣生根完全相同。

植物的地生根和氣生根具有相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是從石斛氣生根的電鏡掃描中可以看到，氣生根的頂端沒有根毛，而是進(jìn)行幾次平周分裂，形成根被。根被是一種海綿狀組織，它由多層死細(xì)胞組成，細(xì)胞成多角形，排列緊密，細(xì)胞壁局部木栓化加厚成帶狀或網(wǎng)狀花紋，有細(xì)微的小孔，適宜吸收水分，并能轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞的內(nèi)部。

石斛氣生根的蘭科菌根根被細(xì)胞電鏡掃描

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

氣生根從生出到老化的過程中，外觀也是不斷變化的。以小葉榕為例，在下雨或潮濕天氣會長出氣生根，其尖端開始0-4cm處、呈白色或淡黃色的為新生部分，俗稱嫩根；太陽照射、空氣干燥和自身老化會使得氣生根慢慢地成熟，外觀變?yōu)辄S色，此時(shí)稱為成熟態(tài)；之后繼續(xù)老化，當(dāng)氣生根表面變成褐色的、類似樹皮的木質(zhì)層便稱為老化態(tài)，后兩種形態(tài)都叫老根。老根部分根被較厚，外表粗糙，表面有微孔。又如下圖中的錦屏藤，嫩根部分為紅色，老根部分為綠色。

錦屏藤的老根與新根

（圖片來源：張莉俊拍攝）

Part.2

氣生根“空中喝水”的奧秘

科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)得出，不同狀態(tài)的氣生根，吸水方式也有所不同。

氣生根的老根有兩種方式吸收水分：一種是通過吸附作用使?jié)窨諝庵械乃魵廪D(zhuǎn)變成液態(tài)水，輸送至根內(nèi)，叫根被的吸附。另一種是通過微孔直接吸收凝結(jié)在空氣灰粒上的水分，或儲存并吸收下雨天時(shí)落在根表面的水分，將其輸送至根內(nèi)，叫做根被的吸收。

氣生根的嫩根也有兩種吸水方式：當(dāng)氣生根在流動的飽和空氣中生長了一天后，表面會有密集的白色絨毛長出，絨毛起到凝結(jié)核的作用，使得空氣中的水蒸氣在其表面凝結(jié)，進(jìn)而被輸送到根內(nèi)。這與地生根吸水原理相同，主要通過根毛來吸收空氣中的水分。

另一種情況是，當(dāng)氣生根在接近飽和的空氣中生長，表面沒有白色絨毛長出時(shí)，氣生根表面凝結(jié)水分主要通過浸潤相變實(shí)現(xiàn)。浸潤相變通常指液體在固體表面上發(fā)生的，從部分浸潤狀態(tài)到完全浸潤狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。發(fā)生浸潤相變時(shí)，氣生根周圍空氣接近飽和，且在氣生根表面可以形成氣-水分界面，且氣生根表面溫度略低于周圍環(huán)境溫度。因此，空氣中的水蒸氣會凝結(jié)在氣生根表面，進(jìn)而被輸送至植物體內(nèi)，稱為根被的凝結(jié)機(jī)理。

Part.3

氣生根的生長，受到這三大因素的影響

1、環(huán)境影響

氣生根的出現(xiàn)與生長環(huán)境密切相關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度高，植物的蒸騰作用大，僅僅依靠地生根不足以維持植物自身利用，植物就可以利用地上部分的莖葉或氣生根吸收水分。例如榕樹為了適應(yīng)南方雨量多、高溫高濕的環(huán)境，樹干上長出許多條像繩子一樣的氣生根，起到輔助呼吸的作用。由于該類植物喜好溫暖濕潤的環(huán)境，多分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，以熱帶雨林地區(qū)的種類最多。在我國，多分布在長江以南地區(qū)。

榕樹的氣生根

（圖片來源：張莉俊拍攝）

或者當(dāng)?shù)叵赂禒I養(yǎng)不足或者呼吸狀態(tài)不理想時(shí)，植物也需要借助氣生根吸收空氣中的水分。例如火龍果在扦插種植期間，會有枝條冒出氣生根，臨時(shí)起到呼吸空氣和吸收水分的作用。

火龍果的氣生根

（圖片來源：中國植物圖像庫）

2、激素影響

植物激素在氣生根的形成過程中扮演著復(fù)雜而重要的角色，既可以通過影響細(xì)胞的分裂和生長直接調(diào)控氣生根的發(fā)育，又可以通過與其它分子互作來間接調(diào)控氣生根的發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，提高外源或者內(nèi)源的生長素濃度均能夠使植物生長出更多的氣生根。例如，乙烯利會促進(jìn)氣生根的發(fā)生速度，而且乙烯利濃度增加，氣生根的層數(shù)、條數(shù)和總重也會隨之增加，但根卻逐漸變細(xì)。

3、基因影響

除了外界因素之外，氣生根的形成也受基因控制。科學(xué)家通過對玉米氣生根發(fā)育過程的研究，發(fā)現(xiàn)生長素相關(guān)基因占據(jù)重要的比例。例如最先發(fā)現(xiàn)的突變體rt1是影響氣生根發(fā)育的關(guān)鍵基因，具有這種突變體的植株地下根數(shù)量基本沒有變化，而氣生根全部缺失。此外組織學(xué)研究發(fā)現(xiàn) RTCS 基因的突變也會影響到氣生根的發(fā)育過程，從而使得突變體中只保留主根和側(cè)根，而 RTCS 的同源基因 RTCL（RTCS-LIKE）也是生長素響應(yīng)基因。

Part.4

五花八門、功能各異的氣生根，你見過哪些？

根據(jù)氣生根的形態(tài)和作用不同，可以將其分為以下幾類：

1、支持根

一些屬于淺根系而植株又較高大的草本植物，如玉米、高粱等，在拔節(jié)后抽穗前，近地面的幾個(gè)節(jié)上可環(huán)生幾層氣生的不定根，做向地性生長。入土后在土內(nèi)產(chǎn)生側(cè)根，有支持植株的特殊作用，稱之為支持根，當(dāng)支持根發(fā)育不良時(shí)，植株遇到大風(fēng)易倒伏。此外，支持根也兼有吸收、輸導(dǎo)等作用。

玉米的支持根

（圖片來源：《植物學(xué)》）

2、攀援根

一些藤本植物，如爬山虎、絡(luò)石、薜荔、常春藤等，會從莖的一側(cè)產(chǎn)生許多頂端扁平、易于攀援于物體表面的攀援根。

薜荔的氣生根

（圖片來源：張莉俊拍攝）

3、呼吸根

有些生長在沿?；蛘訚傻貛У闹参铮缂t樹、水龍等，可以產(chǎn)生向上生長伸出地面的呼吸根。其表面有呼吸孔，內(nèi)有發(fā)達(dá)的通氣組織，有利于通氣和儲存空氣。又例如池杉生長在濕度較大的土壤中，也會從地下冒出氣生根來幫助呼吸。

池杉的氣生根

（圖片來源：張莉俊拍攝）

4、板根

板根是在特定的環(huán)境下，主根發(fā)育不良，側(cè)根向上側(cè)隆起生長，與樹干基部相接部位形成發(fā)達(dá)的木質(zhì)板狀隆脊。板根常見于熱帶樹種中，蝶形花科、杜英科、茜草科、衛(wèi)矛科等植物種類都是常見的板根植物。有的板根可達(dá)數(shù)米，增強(qiáng)了對巨大樹冠的支持力量。

具有板根的山杜英

（圖片來源：中科院西雙版納植物園官網(wǎng)）

5、附生根

許多附生植物，即不在地面生長，而是在樹木的樹枝或樹干上生長的一類植物，也會產(chǎn)生氣生根。其根具有肥厚的根被，適宜于吸收和儲存空氣中的水分，如熱帶雨林中的附生蘭。

蘭花的氣生根

（圖片來源：張莉俊拍攝）

Part.5

除了“自用”，氣生根還能“他用”

玉米氣生根的生物固氮

2018年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種生長于墨西哥Sierra Mixe的當(dāng)?shù)赜衩灼贩N，擁有數(shù)量眾多且分泌大量粘液的氣生根，粘液具有低氧和富含糖的特性，并且富集了大量固氮菌，表現(xiàn)出很強(qiáng)的固氮活性。

經(jīng)多種方法計(jì)算，該品種在大氣固氮的過程中，對氮素的貢獻(xiàn)率達(dá)到29%—82%。該玉米的生物固氮機(jī)制和植物中控制該過程的遺傳學(xué)機(jī)理還值得進(jìn)一步研究，以期為減少化肥使用和發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)提供重要的理論指導(dǎo)。

小葉榕氣生根水提液可作為天然培養(yǎng)基

小葉榕氣生根中含有內(nèi)源激素和激素的前體物質(zhì)，其水提液作為一種天然培養(yǎng)基成分可誘導(dǎo)或提高蘭花原球莖增殖率。研究表明小葉榕氣生根水提液臨時(shí)替代激素的辦法，對大花蕙蘭的生根有較大貢獻(xiàn)，為大花蕙蘭組織培養(yǎng)開辟了一條新途徑，同時(shí)也為研究者、企業(yè)生產(chǎn)者提供了方便。

總之，植物氣生根不僅為植物本身提供了生存的可能，它在植物發(fā)育生物學(xué)中也是一個(gè)重要的研究課題。其形成的生理生化機(jī)制，以及對其功能的研究逐漸引起人們的重視，具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。

出品：科普中國

制作：張莉俊

作者單位：中國科學(xué)院武漢植物園

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

（本文中標(biāo)明來源的圖片已獲得授權(quán)）

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