[論文レビュー] Mechanical properties of drying plant roots: Evolution of the longitudinal Young's modulus of chick-pea roots with dessication

Christopher Vautrin, Pascal Kurowski+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2018

Tree Root and Stability Studies参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、乾燥中に縦方向ヤング率を測定することで、非リグニン化したひよこまめの根における水分損失が機械的剛性に与える影響を調査した。空気で乾燥させた根ではヤング率が最大35倍に増加し、断面積に対してべき乗則に従って増加したが、等張性対照群では変化が認められず、水分含量がこれらの植物組織における機械的進化の主因であることが示された。

ABSTRACT

Mechanical characterizations of plant roots are of primary importance in geophysics and engineering science for implementing mechanical models for the stability of root reinforced-soils, as well as in agronomy and soil science for understanding the penetration of roots in soils and optimizing crop. Yet the mechanical properties of plant roots depend on their water content, which can drastically evolve with drying or flooding of the external soil. The present work deals with the determination of the longitudinal Young's modulus of single non-lignified plant roots, chick-peas (Cicer arietinum L.), tested in compression along their root axis for different external environments: in controlled conditions of natural drying in air or in a osmotic solution of mannitol at the isotonic concentration where no water exchange occurs between the root and the external solution. We submitted the chick-pea radicles to successive mechanical compression cycles separated by rest periods to follow the time evolution of the root mechanical properties in drying and non-drying environments. Control experiments on non-drying roots placed in isotonic osmotic solutions showed no evolution of the root's Young's modulus whose value was around 2 MPa. On the contrary, the experiments performed in air exhibited a dramatic increase of the root's Young's modulus with the drying time, sometimes by a factor of 35. Moreover, the Young's modulus in these cases was observed to scale as a decaying power-law with the root's cross section measured at diffrent times of drying. We interpreted our results in the framework of the mechanics of cellular foams.

研究の動機と目的

• 乾燥中の植物根、特にひよこまめのルートラジカルにおける機械的特性の進化を定量すること。
• 空気中での乾燥と等張性浸透圧溶液での対照実験を比較することで、水分含量が根の剛性に与える影響を分離すること。
• ヤング率の変化が脱水によるものか、他の環境要因によるものかを特定すること。
• 水分含量と剛性の関係を結びつけることで、土壌内での根の強化機構を説明する機械的モデルを確立すること。
• 細胞フォームの力学が、観察された機械的挙動を説明するためにどの程度適用可能かを検討すること。

提案手法

• 根は、乾燥の過程で複数の時間点で縦軸方向に一軸圧縮試験を実施した。
• 実験は2つの環境で実施された：大気中（乾燥）と等張性マンニトール溶液（非乾燥対照）。
• 時間依存的な機械的進化をモニタリングするために、休息時間を挟えた連続圧縮サイクルを適用した。
• 乾燥の各段階で根の断面積を測定し、機械的特性と相関をとった。
• 圧縮試験から得られた応力-ひずみ曲線からヤング率を計算した。
• 理論的解釈は、観察されたスケーリング行動を説明するため、細胞フォームの力学に基づいて展開された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非リグニン化したひよこまめの根の縦方向ヤング率は、空気中での自然乾燥に伴いどのように変化するか？
• RQ2 水分交換のない等張性環境に保たれた根では、ヤング率は安定しているか？
• RQ3 脱水過程における根の剛性とその断面積の間に定量的関係は存在するか？
• RQ4 乾燥根の機械的挙動は、細胞フォーム力学のモデルで説明可能か？
• RQ5 水分損失が植物根に及ぼす剛性上昇効果の大きさはどの程度か？

主な発見

• 空気中で乾燥させたひよこまめの根では、ヤング率が最大35倍に増加し、脱水に伴う極めて顕著な剛性上昇が示された。
• 等張性マンニトール溶液中ではヤング率が約2 MPaで一定を保ったことから、空気乾燥根における機械的変化が水分損失に起因することが確認された。
• 乾燥過程においてヤング率は根の断面積に対して減衰べき乗則に従って増加し、構造的スケーリング関係が示唆された。
• 等張性条件下で機械的変化が認められなかったことから、時間依存的または老化要因の影響は排除され、水分含量が主な変数であることが特定された。
• 観察された剛性上昇挙動は、細胞フォームの力学と整合的であり、根の機械的挙動を説明する理論的枠組みを支持するものであった。