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力学环境对植物根系生长发育及形态结构的影响受到国内外研究者越来越多的关注,但是目前相关研究着重于力学刺激下根系的生理学变化,对定量力学调控根系生长发育的研究仍然缺乏。同时,土壤刚性强度的力学刺激会直接影响根系发育,而不同类型的土壤,如:粘土、壤土、砂土、板结土等,其由于介质颗粒大小、颗粒与颗粒间相互作用力不同等因素影响而表现出不同的刚性强度,最终会对农作物生长发育和其产量造成影响。因此,建立刚性强度可控的介质模型来模拟土壤条件,这对于研究根系在土壤中的穿透生长情况具有重要意义。本课题选择Agar、Phytagel两种常用于植物培养的介质进行力学性质分析,并选择“浓度与其杨氏模量”所成线性关系较好的介质来建立力学环境实验模型,以杨氏模量（Young’s modulus）来表征介质刚性强度大小。通过对生长于该力学环境实验模型的拟南芥根系生长表型、主根根尖生长素分布、pin1突变体拟南芥主根穿透生长情况及根系中ATPase表达量等研究,来评价该力学环境实验模型对拟南芥根系生长的调控作用。该研究能够为解决植物根系生长的力学环境不可控问题提供一种新思路。主要研究内容及结论:（1）测定两种介质（Agar、Phytagel）的力学性质及构建力学环境实验模型通过单轴压缩实验分别对Agar、Phytagel两种培养介质的浓度与其对应杨氏模量大小进行分析,并选择浓度与其对应杨氏模量大小所成线性关系较好的培养介质来建立梯度杨氏模量介质培养模型。单轴压缩实验结果显示:介质浓度X在0.6%-1.8%时,Agar的浓度与其对应杨氏模量大小所成关系为Y=0.0552X-0.0073（R2=0.9448）,Phytagel的浓度与其对应杨氏模量大小所成关系为Y=0.0813X-0.0234（R2=0.9908）。显然,Phytagel的浓度与其对应杨氏模量大小的线性关系更显著（R2值大于0.99）,能用来构建梯度杨氏模量介质模型。因此,根据Phytagel浓度与其对应杨氏模量大小间的线性关系确定0.03 MPa、0.04-0.12 MPa等10个杨氏模量梯度下所需的Phytagel浓度,并以计算出的Phytagel浓度最终完成力学环境实验模型的构建。（2）探究梯度杨氏模量培养介质对拟南芥根系穿透生长表型的影响用所建立的梯度杨氏模量介质模型来进行拟南芥的培育,当拟南芥生长达到11天时进行拟南芥根系生长表型相关数据的采集及分析,包括主根平均根长、主根弯曲率、侧根数量及侧根平均长度等,以此来评价杨氏模量对拟南芥根系生长表型的调控作用。结果显示:0.03-0.06 MPa时,拟南芥主根平均根长大于25 mm、弯曲率保持在0.88-0.92范围内、平均侧根数量大于6、侧根平均长度大于9 mm等等,拟南芥根系生长发育没有受到培养环境力学变化的影响;从0.07 MPa开始,随着杨氏模量的不断增大,拟南芥主根平均根长显著减小、弯曲率显著增加、侧根数量及平均长度都出现显著下降趋势。这表明杨氏模量为0.03-0.06 MPa时适宜拟南芥根系生长发育,杨氏模量达到0.07 MPa时,拟南芥根系生长发育随着杨氏模量的增大而受到抑制。（3）探究生长素极性运输受培养介质杨氏模量变化的影响通过GUS染色法分析梯度杨氏模量介质模型所培养的11天龄DR5-GUS型拟南芥根尖生长素报告基因的表达,以及分析生长素无法正常运输的pin1突变体拟南芥主根穿透生长情况。GUS染色结果显示:在0.03-0.06 MPa范围内,拟南芥根尖生长素报告基因表达较多,此后随着杨氏模量的不断增大,拟南芥根尖生长素报告基因的表达越来越少。同时,杨氏模量为0.03-0.07 MPa时,生长素无法正常运输的pin1突变体拟南芥,其穿透生长能力显著弱于正常野生型拟南芥。（4）探究拟南芥根系ATPase表达量受介质杨氏模量变化的影响通过ELISA测定梯度杨氏模量培养下的拟南芥根系ATPase表达量。结果显示,拟南芥根系中ATPase的表达量随着杨氏模量增大而有规律地减小,但这个规律并不是线性关系。Origin模拟分析发现:Phytagel的杨氏模量大小与拟南芥根系中ATPase表达量之间呈幂函数关系,具体为:Y=0.0051X-2.775（0.03 MPa≤X≤0.12 MPa）。虽然ATPase表达量随着杨氏模量的增大而减小,但是当介质杨氏模量为0.03-0.06MPa条件下,拟南芥根系生长发育并没有受影响,这表明:适量的ATPase就能促进拟南芥根系充分地生长发育,过多ATPase对于根系生长发育没有明显的促进作用。综上所述,基于Phytagel建立的力学环境实验模型可以显著调控拟南芥根系的生长发育,且在一定杨氏模量范围内（0.03-0.12 MPa）,可以根据介质的杨氏模量大小来预测拟南芥根系的长势。同时,在0.03-0.12 MPa的杨氏模量下,拟南芥根系生长发育并不是严格地随着培养介质杨氏模量的增大而受到抑制。当介质杨氏模量为0.03-0.06 MPa时,拟南芥根系长势较好,其中,培养介质的杨氏模量为0.06MPa时最适合拟南芥根系生长发育;当培养介质杨氏模量大于0.06 MPa时,根系生长发育随着杨氏模量的增大而受到抑制,达到0.11 MPa时,拟南芥根系不能穿透培养介质生长。