[논문 리뷰] Mechanical properties of drying plant roots: Evolution of the longitudinal Young's modulus of chick-pea roots with dessication

Christopher Vautrin, Pascal Kurowski외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 24.

Tree Root and Stability Studies참고 문헌 44인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 건조 과정 중 수분 손실이 비 lignin을 가진 캐빈 뿌리의 기계적 강성에 미치는 영향을 측정하여 縦방향 융성율을 분석함으로써 조사한다. 공기 건조 시 뿌리의 융성율은 최대 35배 증가하였으며, 횡단면 면적에 대한 거듭제곱 법칙에 따라 비례하였다. 반면 등삼투압 대조군에서는 변화가 없었으며, 이는 수분 함량이 이러한 식물 조직의 기계적 특성 변화의 주요 원인임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 건조 중 식물 뿌리의 기계적 성질 변화를 정량화하는 것, 특히 캐빈 뿌리의 라디클을 대상으로 한다.
• 공기 중 건조와 등삼투압 산성 용액에서의 건조를 비교하여 수분 함량이 뿌리 강성에 미치는 영향을 분리한다.
• 융성율 변화가 탱크화 또는 기타 환경 요인 때문인지 여부를 규명한다.
• 수분 함량과 강성 간의 관계를 연결하여 토양 내 뿌리 강화의 기계적 모델을 수립한다.
• 세포 폼 역학 이론이 관찰된 기계적 거동을 설명하는 데 적용 가능한지 탐색한다.

제안 방법

• 뿌리는 건조 과정 중 여러 시점에서 종방향 축에 따라 단축 압축 시험을 실시하였다.
• 실험은 두 환경에서 수행되었으며, 공기 중(건조 조건)과 등삼투압 만니톨 용액(비건조 대조군)에서 각각 실시하였다.
• 시간에 따른 기계적 성질 변화를 모니터링하기 위해 반복적인 압축 사이클를 적용하고 휴식 시간을 두었다.
• 건조 단계에 따라 뿌리의 횡단면 면적을 측정하여 기계적 성질과의 상관관계를 분석하였다.
• 압축 시험에서 확보한 응력-변형률 곡선으로부터 융성율을 계산하였다.
• 관찰된 척도 행동을 설명하기 위해 세포 폼 역학 이론을 기반으로 이론적 해석을 전개하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비 lignin을 가진 캐빈 뿌리의 종방향 융성율은 자연 건조 조건에서 공기 중에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 수분 교환 없이 등삼투압 환경에 유지된 뿌리에서 융성율은 안정적인가?
• RQ3 탈수 과정 중 뿌리 강성과 횡단면 면적 사이에 정량적 관계가 존재하는가?
• RQ4 건조 뿌리의 기계적 거동은 세포 폼 역학 이론 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 식물 뿌리에서 수분 손실이 초래하는 강성 증가 효과의 크기는 어느 정도인가?

주요 결과

• 공기 건조 중 캐빈 뿌리의 융성율은 최대 35배 증가하였으며, 이는 탈수로 인한 극심한 강성 증가를 시사한다.
• 등삼투압 만니톨 용액에서 융성율은 약 2 MPa로 일정하게 유지되었으며, 이는 공기 건조 시 뿌리의 기계적 변화가 수분 손실 때문임을 확인한다.
• 건조 과정 중 융성율은 뿌리의 횡단면 면적에 대해 감소하는 거듭제곱 법칙에 따라 비례하였으며, 이는 구조적 척도 관계를 시사한다.
• 등삼투압 조건에서 기계적 변화가 없음을 고려하면 시간에 따른 변화나 노화 효과는 배제되며, 수분 함량이 핵심 변수임을 입증한다.
• 관찰된 강성 증가 거동은 세포 폼 역학 이론과 일치하며, 뿌리 기계적 거동에 대한 이론적 프레임워크를 뒷받침한다.