1. 과다한 토양 내 무기염류는 식물 생장을 제한한다
토양 내에 과다한 무기염류가 존재할 때 염성이라 하는데, 이들 무기염류 이온들이 물의 이용 가능성을 제한하거나 특정한 영양소의 적정 범위를 벗어나는 수준에 이르면 식물 생장은 제한될 수 있다. 염성 토양에서 흔히 볼 수 있는 염은 소금과 황산나트륨이다. 건조 또는 반건조한 지역의 토양에 과다한 무기염류가 존재하면 심각한 문제를 야기하는데, 왜냐하면 강수량이 불충분해서 토양에서 무기염류들을 용출하지 못하기 때문이다. 게다가 관개농업도 토양의 염류화 현상을 촉진한다. 관개수는 톤당 100~1,000g의 무기염류를 포함한다. 보통의 작물은 에이커당 4,000톤의 물을 필요로 한다. 결과적으로 작물당 토양에 400~4,000kg의 무기염류를 가하게 되고, 경작 시기가 여러 번 지나면 무기물이 고농도로 토양에 축적된다. 염성 토양에서 식물은 염 스트레스를 받게 된다. 일부 식물들은 과다한 무기염류가 존재하기 때문에 부정적인 영향을 받는다. 일부 식물들은 무기염류가 과다해도 생존할 수 있고 심지어는 잘 자라기도 한다. 식물이 염분에 내성을 갖는 메커니즘은 분자 합성, 효소 유도 그리고 막수송을 포함하는 등 복잡하다. 일부 종에서는 무기염류를 과도하게 흡수하지 않는다. 다른 종에서는 흡수가 되지만 잎과 관련된 염산에 의하여 식물에서 배출된다. 세포질에서 무기염류 이온이 독성을 나타내는 것을 방지하기 위하여 많은 식물들은 이 무기염류 이온들을 액포 내에 가둔다. 전통적인 식물육종 및 분자생물학을 사용하여 염분에 감수성을 나타내는 식물에 내염성을 부여하기 위한 노력들이 경주되고 있다.
과도한 염류로 인한 또 다른 중요한 문제는 토양 내의 중금속 축적인데, 이것은 사람과 마찬가지로 식물에도 심각한 독성을 야기한다. 중금속에는 아연, 구리, 코발트, 니켈, 수은, 납, 카드뮴, 은, 크롬 등이 속한다.
2. 식물은 광범위한 근계를 발달시킨다
토양에서 물과 무기염류를 얻는 식물의 능력은 광범위한 근계를 발달시키는 능력에 달렸다. 단일한 호밀의 뿌리 표면적을 모두 합하면 농구장의 넓이와 맞먹는다.
사막에서, 메스키트콩의 뿌리는 지하수에 도달하기 위하여 50m 이상 뻗어나간다. 일년생 작물에서 뿌리는 보통 0.1~2.0m 깊이로 자라며 옆으로는 0.3~1.0m 사이로 확장된다. 과수원에서 0.5m 떨어져서 식재한 나무들의 주근계의 총길이는 12~18km에 달한다. 자연생태계에서 뿌리의 연간 생산량은 줄기를 능가하여, 여러 가지 측면에서 식물의 지상부는 ‘빙산의 일각’만을 나타낸다고 할 수 있다. 그런데도 근계를 관찰하는 것은 어렵고 특수한 기법을 사용해야 한다.
식물의 뿌리는 일 년 내내 지속적으로 생장한다. 하지만 이들이 잘 자랄 수 있는지 여부는 근권이라고 부르는 뿌리를 둘러싼 직접적인 미소생태계에서 무과 무기염류를 얻을 수 있는가에 달렸다. 만일 근권 내의 영양소가 적거나 너무 건조하면 뿌리의 생장은 느리게 된다. 근권의 조건이 좋아지면 뿌리의 생장은 증가한다. 만일 시비와 관계에 의해 영양소와 물이 풍부해지면 뿌리의 생장은 줄기의 생장을 따라가지 못한다. 이런 조건에서 식물 생장이 일어날 때는 탄수화물이 부족한 상태가 될 리보다는 지상부와 생식구조에 더 많은 자원을 분배하며 이러한 분배 패턴의 변화로 생산량이 늘어나게 된다.
3. 근계는 형태는 서로 다르지만 공통적인 구조를 갖는다
식물 종류에 따라 근계의 형태는 상당히 다르다. 단자엽에서 뿌리는 발아하는 종자에서 3~6개의 주근축이 생겨나면서 발달한다. 더 이상 자라게 되면 마디뿌리라고 부르는 부정근이 형성된다. 시간이 지남에 따라 주근축과 마디의 근축은 자라서 넓게 분지하여 복잡한 수염뿌리를 만든다. 수염뿌리 시스템에서 모든 뿌리들은 대체적으로 동일한 지름을 가지며(환경조건이나 병원체와의 상호작용에 의해 뿌리 구조가 바뀌는 경우는 제외), 따라서 주근축을 구별해 내기가 어렵다.
단자엽과는 대조적으로, 쌍자엽은 주근이라고 부르는 단일 근축을 갖는 근계를 발달시키는데, 이는 2차 형성층 활동에 의하여 비후되는 것 같다. 이 주근축에서 측근이 발달하여 광범위하게 분지한 근계를 형성한다.
단자엽과 쌍자엽 모두에 있어 근계의 발달은 뿌리의 정단분열 조직의 활동과 측근분열조직의 생성에 따른다. 아래 그림은 식물 뿌리의 정단 부위의 일반적인 모식도를 보여주며 분열, 신장, 성숙 활성이 일어나는 부위를 나타낸다.
분열대에서 세포는 뿌리의 기부 방향으로 분열하여 기능을 갖는 뿌리조직으로 분화하는 세포들을 형성하고, 또한 근축의 방향으로 분열하여 근관을 형성한다. 근관은 뿌리가 토양을 뚫고 들어갈 때에 미세한 분열 세포들을 보호해 준다. 이들은 근관을 덮는 점성겔이라고 하는 젤라틴성의 물질을 분비한다. 점성겔의 정확한 기능은 확실하지 않지만 뿌리가 토양을 뚫고 갈 때 윤활 역할을 하거나, 근축이 건조되는 것을 막아주거나, 뿌리로 영양소가 전달되게 하거나, 뿌리와 토양 미생물 사이의 상호작용에 영향을 미치는 것 같다. 근관은 중력의 인지에도 중요한다, 이 신호를 받으면 뿌리는 아래쪽으로 자란다. 이 과정을 굴증성 반응이라고 한다. 근축 자체의 세포분열은 상대적으로 느리며, 따라서 이 부위를 정지중심부라고 한다. 몇 번의 느린 세포분열 후에 정단으로부터 0.1mm 떨어진 뿌리 세포는 이보다 빨리 분열하기 시작한다.
