正文開始前，我們先來欣賞一波大自然的奇妙美景：
錦屏藤（圖檔來源：張莉俊拍攝）
空氣鳳梨（圖檔來源：張莉俊拍攝）
榕樹（圖檔來源：veer圖庫）
當你沉浸于錦屏藤“一簾幽夢”的美好景象時，當你被古靈精怪的空氣鳳梨所吸引時，當你驚歎于榕樹獨木成林的強大學領時，是否還發現了它們有一個共同的特點：長長的根都暴露在空氣中。
這些美麗而強大的自然奇觀是怎麼形成的？它們又有什麼作用呢？今天就跟大家聊一聊造成這些自然現象的幕後大佬——氣生根。
同樣是根，為什麼有的在地上，有的在地下？
氣生根是植物在漫長的生存過程中，為适應濕熱環境而形成的、行使特殊功能的器官。它是從植物地面上的莖或枝上發出來，暴露在空氣中的變态根。氣生根常見于蘭科、桑科、天南星科、百合科、石蒜科的一些植物中，開篇中錦屏藤漂亮的紅色根便是氣生根的一種。
衆所周知，植物的根一般都是生長在地面以下的，稱為“地生根”，起着固定、吸收、輸送和儲藏營養物質的作用。但是有些植物的根由于環境等原因會産生一些特殊功能，同時形态結構上發生變異，這種現象稱為根的變态。“氣生根”就是一種生長在空氣裡的變态根。
植物的地生根和氣生根在一定的條件下可以互相轉化。例如，當榕樹的氣生根紮入地下以後，就會變得和地生根完全相同，可以從地下吸取水分，對榕樹地上部分起支撐作用；而其地生根長久暴露在空氣中，特性也會和氣生根完全相同。
植物的地生根和氣生根具有相似的内部結構，但是從石斛氣生根的電鏡掃描中可以看到，氣生根的頂端沒有根毛，而是進行幾次平周分裂，形成根被。根被是一種海綿狀組織，它由多層死細胞組成，細胞成多角形，排列緊密，細胞壁局部木栓化加厚成帶狀或網狀花紋，有細微的小孔，适宜吸收水分，并能轉運到細胞的内部。
石斛氣生根的蘭科菌根根被細胞電鏡掃描
（圖檔來源：參考文獻2）
氣生根從生出到老化的過程中，外觀也是不斷變化的。以小葉榕為例，在下雨或潮濕天氣會長出氣生根，其尖端開始0-4cm處、呈白色或淡黃色的為新生部分，俗稱嫩根；太陽照射、空氣幹燥和自身老化會使得氣生根慢慢地成熟，外觀變為黃色，此時稱為成熟态；之後繼續老化，當氣生根表面變成褐色的、類似樹皮的木質層便稱為老化态，後兩種形态都叫老根。老根部分根被較厚，外表粗糙，表面有微孔。又如下圖中的錦屏藤，嫩根部分為紅色，老根部分為綠色。
錦屏藤的老根與新根
（圖檔來源：張莉俊拍攝）
氣生根“空中喝水”的奧秘
科學家通過實驗得出，不同狀态的氣生根，吸水方式也有所不同。
氣生根的老根有兩種方式吸收水分：一種是通過吸附作用使濕空氣中的水蒸氣轉變成液态水，輸送至根内，叫根被的吸附。另一種是通過微孔直接吸收凝結在空氣灰粒上的水分，或儲存并吸收下雨天時落在根表面的水分，将其輸送至根内，叫做根被的吸收。
氣生根的嫩根也有兩種吸水方式：當氣生根在流動的飽和空氣中生長了一天後，表面會有密集的白色絨毛長出，絨毛起到凝結核的作用，使得空氣中的水蒸氣在其表面凝結，進而被輸送到根内。這與地生根吸水原理相同，主要通過根毛來吸收空氣中的水分。
另一種情況是，當氣生根在接近飽和的空氣中生長，表面沒有白色絨毛長出時，氣生根表面凝結水分主要通過浸潤相變實作。浸潤相變通常指液體在固體表面上發生的，從部分浸潤狀态到完全浸潤狀态的轉化。發生浸潤相變時，氣生根周圍空氣接近飽和，且在氣生根表面可以形成氣-水分界面，且氣生根表面溫度略低于周圍環境溫度。是以，空氣中的水蒸氣會凝結在氣生根表面，進而被輸送至植物體内，稱為根被的凝結機理。
氣生根的生長，受到這三大因素的影響
氣生根的出現與生長環境密切相關。當環境溫度高，植物的蒸騰作用大，僅僅依靠地生根不足以維持植物自身利用，植物就可以利用地上部分的莖葉或氣生根吸收水分。例如榕樹為了适應南方雨量多、高溫高濕的環境，樹幹上長出許多條像繩子一樣的氣生根，起到輔助呼吸的作用。由于該類植物喜好溫暖濕潤的環境，多分布在熱帶和亞熱帶地區，以熱帶雨林地區的種類最多。在我國，多分布在長江以南地區。
榕樹的氣生根
或者當地下根系營養不足或者呼吸狀态不理想時，植物也需要借助氣生根吸收空氣中的水分。例如火龍果在扡插種植期間，會有枝條冒出氣生根，臨時起到呼吸空氣和吸收水分的作用。
火龍果的氣生根
（圖檔來源：中國植物圖像庫）
植物激素在氣生根的形成過程中扮演着複雜而重要的角色，既可以通過影響細胞的分裂和生長直接調控氣生根的發育，又可以通過與其它分子互作來間接調控氣生根的發育。研究發現，提高外源或者内源的生長素濃度均能夠使植物生長出更多的氣生根。例如，乙烯利會促進氣生根的發生速度，而且乙烯利濃度增加，氣生根的層數、條數和總重也會随之增加，但根卻逐漸變細。
除了外界因素之外，氣生根的形成也受基因控制。科學家通過對玉米氣生根發育過程的研究，發現生長素相關基因占據重要的比例。例如最先發現的突變體rt1是影響氣生根發育的關鍵基因，具有這種突變體的植株地下根數量基本沒有變化，而氣生根全部缺失。此外組織學研究發現 RTCS 基因的突變也會影響到氣生根的發育過程，進而使得突變體中隻保留主根和側根，而 RTCS 的同源基因 RTCL（RTCS-LIKE）也是生長素響應基因。
五花八門、功能各異的氣生根，你見過哪些？
根據氣生根的形态和作用不同，可以将其分為以下幾類：
一些屬于淺根系而植株又較高大的草本植物，如玉米、高粱等，在拔節後抽穗前，近地面的幾個節上可環生幾層氣生的不定根，做向地性生長。入土後在土内産生側根，有支援植株的特殊作用，稱之為支援根，當支援根發育不良時，植株遇到大風易倒伏。此外，支援根也兼有吸收、輸導等作用。
玉米的支援根
（圖檔來源：《植物學》）
一些藤本植物，如爬山虎、絡石、薜荔、常春藤等，會從莖的一側産生許多頂端扁平、易于攀援于物體表面的攀援根。
薜荔的氣生根
有些生長在沿海或沼澤地帶的植物，如紅樹、水龍等，可以産生向上生長伸出地面的呼吸根。其表面有呼吸孔，内有發達的通氣組織，有利于通氣和儲存空氣。又例如池杉生長在濕度較大的土壤中，也會從地下冒出氣生根來幫助呼吸。
池杉的氣生根
闆根是在特定的環境下，主根發育不良，側根向上側隆起生長，與樹幹基部相接部位形成發達的木質闆狀隆脊。闆根常見于熱帶樹種中，蝶形花科、杜英科、茜草科、衛矛科等植物種類都是常見的闆根植物。有的闆根可達數米，增強了對巨大樹冠的支援力量。
具有闆根的山杜英
（圖檔來源：中科院西雙版納植物園官網）
許多附生植物，即不在地面生長，而是在樹木的樹枝或樹幹上生長的一類植物，也會産生氣生根。其根具有肥厚的根被，适宜于吸收和儲存空氣中的水分，如熱帶雨林中的附生蘭。
蘭花的氣生根
除了“自用”，氣生根還能“他用”
2018年，科學家發現一種生長于墨西哥Sierra Mixe的當地玉米品種，擁有數量衆多且分泌大量粘液的氣生根，粘液具有低氧和富含糖的特性，并且富集了大量固氮菌，表現出很強的固氮活性。
經多種方法計算，該品種在大氣固氮的過程中，對氮素的貢獻率達到29%—82%。該玉米的生物固氮機制和植物中控制該過程的遺傳學機理還值得進一步研究，以期為減少化肥使用和發展綠色農業提供重要的理論指導。
小葉榕氣生根中含有内源激素和激素的前體物質，其水提液作為一種天然培養基成分可誘導或提高蘭花原球莖增殖率。研究表明小葉榕氣生根水提液臨時替代激素的辦法，對大花蕙蘭的生根有較大貢獻，為大花蕙蘭組織培養開辟了一條新途徑，同時也為研究者、企業生産者提供了友善。
總之，植物氣生根不僅為植物本身提供了生存的可能，它在植物發育生物學中也是一個重要的研究課題。其形成的生理生化機制，以及對其功能的研究逐漸引起人們的重視，具有廣闊的研究和應用前景。
出品：科普中國
制作：張莉俊
作者機關：中國科學院武漢植物園
監制：中國科學院計算機網絡資訊中心
（本文中标明來源的圖檔已獲得授權）
轉載内容僅代表作者觀點
不代表中科院實體所立場
來源：中國科普博覽
編輯：fiufiu