根系“感受”重力，从而伸展并扎根于土壤中，但在需要时，它们可以改变生长方向，朝向水源。然而，根据奥地利科学技术研究所(ISTA)和中国西北农林科技大学科学家的一项新研究，这种变化是由干旱条件促成的，干旱抑制了根系的重力感应能力。这些发现可能有助于培育能够抵御极端天气条件的植物。

植物不断生长，响应环境信号并相应地调整自身发育。它们通过一种称为向光性的过程将枝条伸向太阳，并借助地球引力延伸根部——这种现象称为向地性。此外，植物还会将根部弯曲至土壤中潮湿的区域，以确保植物能够获得水分，这种行为称为向水性。

虽然向光性和向地性有相对详尽的记录，并且已经研究了一个多世纪，但人们对向水性的了解却较少——尽管它对植物至关重要，特别是在气候变化时期。

2024年维特根斯坦奖得主、奥地利科学技术研究所(ISTA)的Jiří Friml教授和博士生Adrijana Smoljan，以及中国西北农林科技大学的同事最近开展了一项研究，揭示了新的见解。研究表明，水生觅食需要通过亲水性主调控因子“MIZ1”抑制重力性。他们的研究成果本周发表在《美国国家科学院院刊》上。

摆脱重力

为了深入研究向水性现象，弗里姆尔及其同事迫切希望了解当重力不再影响根系生长时会发生什么。本质上，他们的目标是彻底消除向重力现象。一种方案是将植物送入太空，例如美国宇航局(NASA)的VEGGIE实验或欧洲航天局(ESA)的太空植物培育计划。

然而，为了进行研究，科学家们选择留在地球上，将装有拟南芥幼苗的培养皿放在一个缓慢旋转的平台上。持续的旋转不断改变重力的方向，使植物无法对重力做出反应，因为它无法辨别重力的来源。弗里姆尔将此比作时钟，植物的根部像钟表指针一样旋转。

“通过消除重力，我们发现向水性变得更强，”弗里姆尔解释说。“在水量充足的正常条件下，重力作用通常占主导地位。然而，当你关闭重力作用时，向水性的影响就会变得明显。”

在干旱条件下，植物优先利用水而不是重力

接下来，科学家发现，在干旱时期，植物会在某种程度上抑制向地性。“这很有道理，”弗里姆尔解释道。“寻找水源突然变得比继续向下生长更重要，所以在干旱条件下，向地性会降低，植物就会变得更加向水性。”

但是，是什么引发了这种从重力习性到水向性的转变呢?一种名为 MIZ1 的蛋白质引起了科学家们的注意。MIZ1 是几十年前由日本科学家发现的，是目前已知的极少数对水向性至关重要的基因之一。

研究人员将现有的缺乏 MIZ1 的突变植物与野生型(“正常”)植物进行了比较。他们发现，在 MIZ1 突变体中，对干旱响应的重力诱导抑制不起作用。这些植物表现出吸水性缺陷，但重力诱导仍然很强。本质上，缺乏 MIZ1 的植物很难寻找水分，因为 MIZ1 会减弱根系的重力诱导。

水源采集和气候变化

了解植物如何寻找水分并应对干旱至关重要，尤其是在气候变化的背景下。“例如，去年冬天维也纳特别干旱，”斯莫连解释说。“今年冬天，霍赫瓦特气象站记录到的降水量仅为每平方米32升，远低于往年的130升。因此，土壤变得非常干燥，即使在冬季也增加了森林火灾的风险。”

如此极端的天气条件凸显了弗里姆尔团队研究的重要性。我们越了解植物如何获取水分，就越能培育出更能抵御干旱的植物——这对农业来说至关重要。

“通过鉴定出具有高活性MIZ1蛋白的玉米或小麦变种，我们可以将这些蛋白引入高产变种中。理论上，我们最终可以培育出更多的水培植物，从而提高它们在干旱时期的吸水能力，”弗里姆尔补充道。

更多信息： Zhang, Yuzhou 等，《MIZ1介导的根系重力向性和水性向性拮抗作用促进水的获取》，《美国国家科学院院刊》(2025)。