植物面临着严峻的挑战：适应快速变化的气候，否则就会死亡。对于某些植物来说，这意味着适应更高的温度和更少的水。对于其他人来说，这关系到不断变化的土壤中养分的可用性。

从人类的角度来看，我们迫切需要粮食和生物能源作物来应对气候变化。

科学家们也许能够通过基因工程和合成生物学帮助植物朝正确的方向发展，但首先他们必须了解根际发生了什么——这个系统包括植物的根、周围的土壤和所有的微生物，土壤中存在的营养物质和化学物质。

美国能源部SLAC国家加速器实验室斯坦福同步辐射光源(SSRL)的高级科学家RitimuktaSarangi和支持SSRL设施的生物和环境(BER)研究的副科学家JocelynRichardson正在将许多实验室的X射线工具——晶体学、散射、光谱学和显微镜——用于研究根际。

在过去的几年里，该团队在SSRL结构分子生物学(SMB)部门的一大批设施科学家的支持下，致力于揭示根际发生的生物和化学交换背后的机制。如果科学家能够理解这些机制以及这些交换的后果，他们也许能够设计出适应气候的植物，可持续地增加土壤的养分供应，并确定能够很好地应对环境压力的植物-微生物合作交换。

在本次问答中，萨兰吉提供了有关理查森、SMB员工和同步加速器用户等如何解决从分子规模到生态系统规模的植物恢复能力的最新信息。

为什么要研究植物?

我们想弄清楚如何在气温上升、二氧化碳上升、作物用水减少的气候下种植更好的作物。这些影响现在正在发生，并且在未来将会加速。

研究人员使用SSRL的X射线来研究许多不同的事物。X射线对于研究根际或植物根部周围的土壤有何作用?

SSRL的工具让我们能够直观地看到分子水平上发生的情况，即植物吸收某些营养物质时发生的分子转变。植物中发生的所有转化——植物活力、植物生长、植物寿命、植物抗病性、植物耐旱性——都始于根和根际。

我们的工具具有独特的定位，可以了解这些转变是如何发生的。我们可以通过各种同步加速器技术将这些转变可视化，并将结果引向“我们如何为弹性植物系统的设计做出贡献?”的问题。

我们需要哪些作物才能生长得更好，为什么?

我们需要所有农作物生长得更好!但作为美国能源部的一个设施，我们的重点是生物能源作物，其中占主导地位的是一类可用于产生生物质的草类。您将农作物转化为生物质，然后将生物质转化为燃料(例如乙醇)，然后将其燃烧以获取能源。

我们的用户和科学家希望弄清楚如何使生物能源作物在基因水平上更能适应变化和压力条件。我们的工具可以有助于理解这些转基因植物系统。

这项研究与粮食作物非常相关，我们SSRL的生物能源和粮食作物研究人员正在研究他们的植物。想想米饭。加利福尼亚州是大米的主要生产地。加利福尼亚州也遭受干旱，而水稻是一种非常需水的植物。此外，加利福尼亚州还存在砷污染的深层区域。

因此，所有这些因素共同作用，使我们研究根际养分吸收变得非常重要。科学家们提出这样的问题：“我们能否改变粮食作物的种植方式，使砷不被吸收?”或者，“我们能否改变灌溉方式，以便能够在正确的时间为作物提供适量的水?”我们可以提供帮助。

您正在从事的项目的例子是什么?

目前我们有两个大型项目正在进行，一个是关于水稻作物的，另一个是研究这些合成土壤栖息地的。水稻作物项目是与一位大学研究人员的合作项目，而合成土壤栖息地是乔斯林·理查森(JocelynRichardson)领导的与太平洋西北国家实验室(PNNL)的一组科学家的合作项目。

我们的植物科学研究界还在研究植物根际的各个方面，例如土壤中的金属氧化态以及植物和微生物之间的养分交换，这会影响土壤碳固存和陆地碳循环等其他重要过程。

您能描述一下模拟土壤的合作吗?

我们正在与PNNL的科学家合作，创建这些合成土壤栖息地，您可以在那里种植能源作物。该技术从多孔基质开始，模拟植物生长的土壤。然后，我们可以一一添加矿物质、微生物或微生物群落，或砷或铅等污染物，以了解它们各自的影响，而当您查看存在许多其他因素的真实土壤时，您无法获得这些影响影响你所看到的内容。

PNNL的环境分子科学实验室(EMSL)开创了其中一些合成土壤栖息地的先河。他们与我们团队的成员一起写了一篇非常好的论文，展示了真菌如何从矿物表面获取营养物质，特别是钾。真菌有办法将它们的小触手发送到远处的营养物质，他们想弄清楚真菌如何知道朝那个方向生长。

他们发现，如果存在矿物质，真菌只能向远处的营养物质生长。在后续研究中，他们表明真菌分泌的酸会分解矿物表面，使真菌能够接触矿物元素并促进真菌生长。

在那次合作中，他们用各种不同的方法研究模拟土壤环境。我们很明显需要使用X射线工具。这对我们来说是一个灵光一现的时刻，我们说，好吧，我们可以将它用于真菌与植物的相互作用，但我们也可以把它做得更大。

让我们看看其他生物能源作物。我们能否制作各种不同的模拟土壤环境，从非常小的真菌和细菌相互作用到研究高粱植物?这就是这个项目的动力的来源。

该根际计划的长期目标是什么?

我们才刚刚开始。我们在生物能源和粮食作物研究领域开展了一些重要合作，目前我们正在调整PNNL技术，使其更加模块化并适用于更广泛的作物。

最终，我们希望在可持续发展领域建立合作关系，涵盖生物能源、粮食作物、合成生物学研究以及生物学中的金属如何影响这项工作。国家实验室是这种协作科学的最佳场所。我们共同努力，带来各种专业知识，并且我们知道我们自己并不具备回答这些复杂问题的所有工具。

我们SSRL和SLAC擅长回答与养分吸收和植物活力相关的问题。我们还希望发展和开发我们的SMB工具，以便广大用户社区可以将它们用于与DOEBER计划相关的科学研究。根际科学对可持续发展工作具有影响力，我们的工具在这个领域可以非常有效。

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