撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

土壤中的細(xì)菌形成復(fù)雜的群落，有些會定殖在植物根系表面。然而，這些細(xì)菌并非均勻分布，而是會在新長出的側(cè)根周圍以及早期根系分化區(qū)域呈現(xiàn)出精確的分布模式。

我們已知，植物根系通過釋放分泌物以促進(jìn)微生物群落的形成，這會影響植物的功能和抗逆性。然而，這些植物根系釋放的特定分泌物如何驅(qū)動根際微生物的空間定殖模式，我們?nèi)灾跎佟?/p>

2025 年 10 月 2 日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心周峰團隊聯(lián)合瑞士洛桑大學(xué)Niko Geldner團隊，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)表了題為：Localized glutamine leakage drives the spatial structure of root microbial colonization 的研究論文，該論文還被選為當(dāng)期封面論文。

該研究證明了內(nèi)皮層凱氏帶（構(gòu)成根系細(xì)胞外擴散屏障）能夠限制養(yǎng)分向根際的滲漏，這一機制與根際細(xì)菌的空間定殖模式相吻合并對其產(chǎn)生調(diào)控作用。該研究發(fā)現(xiàn)，來源于維管組織的谷氨酰胺泄漏是細(xì)菌的主要趨化吸引物和增殖促進(jìn)劑，這定義了一條此前未知的根系分泌物形成途徑。

氨基酸化學(xué)感知缺陷型細(xì)菌對滲漏位點的吸引力顯著減弱，而凱氏帶缺陷型根系則出現(xiàn)細(xì)菌過度增殖現(xiàn)象，這種增殖效應(yīng)取決于細(xì)菌對氨基酸的代謝能力。相關(guān)的慢性免疫刺激表明，內(nèi)皮層營養(yǎng)限制機制對于調(diào)節(jié)細(xì)菌定殖與群落組裝至關(guān)重要，可有效限制可能危害植物健康的細(xì)菌的過度增殖現(xiàn)象。

封面圖：共聚焦顯微鏡圖像顯示，定殖于植物根際細(xì)菌聚集在新長出的側(cè)根周圍，局部谷氨酰胺的泄漏誘導(dǎo)了空間受限的報告基因活性。該圖像展示了谷氨酰胺誘導(dǎo)型生物傳感器的靈敏度，能夠揭示距離小至 10 微米的細(xì)菌代謝狀態(tài)差異。這突顯了營養(yǎng)物質(zhì)可用性的空間異質(zhì)性對植物根際微生物定殖模式的影響。

植物有選擇性地招募土壤中的細(xì)菌對于形成高度專業(yè)化的根際微生物群落至關(guān)重要。根際細(xì)菌群落影響根系發(fā)育和植物健康，并賦予植物抵御一系列生物和非生物脅迫的能力。植物通過釋放根系分泌物來塑造其微生物群落，根系分泌物是一種復(fù)雜的有機化合物混合物。盡管科學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識到分泌物對于細(xì)菌定殖至關(guān)重要，但對于它們?nèi)绾?、何時以及在何處釋放，尤其是在與細(xì)菌相關(guān)的空間尺度上，仍知之甚少。與動物的腸道上皮細(xì)胞類似，植物的根內(nèi)皮層發(fā)揮著選擇性細(xì)胞屏障的作用，限制礦物質(zhì)養(yǎng)分自由流入根系的中央維管組織。相反，內(nèi)皮層屏障對于防止糖類、有機酸、氨基酸和其他富含能量的光合產(chǎn)物從這些組織泄漏到缺乏此類化合物的土壤環(huán)境中也應(yīng)至關(guān)重要。

凱氏帶（Casparian strip）完整性的擾動已被證實會影響植物對微生物的招募和群落組成，但其機制基礎(chǔ)尚未闡明。在這項最新研究中，研究團隊觀察到，細(xì)菌定殖模式與內(nèi)皮層屏障缺失或受損相吻合，研究團隊推測內(nèi)皮層屏障的短暫有機化合物泄漏可能會驅(qū)動植物根系對細(xì)菌的吸引以及細(xì)菌的進(jìn)一步定殖。研究團隊嘗試進(jìn)一步尋找在內(nèi)皮層屏障突變體的根系分泌物中增加的化合物。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，突變體的根系分泌物中氨基酸含量顯著增加，主要是谷氨酰胺，這與谷氨酰胺作為氮素向植物地上部分運輸?shù)闹虚g體的作用相符。通過結(jié)合植物和共生模式菌株

Pseudomonas protegens

總的來說，這項研究證明，植物維管組織中短暫的谷氨酰胺泄漏是驅(qū)動細(xì)菌定殖的重要因素。這一發(fā)現(xiàn)引入了“短暫代謝物泄漏”的新概念，為目前已知的化合物跨細(xì)胞膜受控滲出途徑和根冠細(xì)胞脫落導(dǎo)致細(xì)胞成分大量釋放這兩種機制提供了補充。短暫的內(nèi)皮層泄漏代表著第三種途徑——以幾乎無選擇性的方式，從維管組織細(xì)胞外空間釋放低分子量代謝物。這些研究結(jié)果揭示了根系與微生物之間的動態(tài)相互作用：通過提供短暫存在且空間受限的代謝生態(tài)位，為微生物群落的“播種”創(chuàng)造了條件。該研究強調(diào)了需要在與細(xì)菌群落相關(guān)的空間尺度上進(jìn)行觀察和操作，因為對寶貴代謝物的競爭與合作通常發(fā)生在低微米級別范圍內(nèi)。通過將植物發(fā)育生物學(xué)與高分辨率微生物定殖研究相結(jié)合，該研究闡明了局部滲出物泄漏在復(fù)雜且快速發(fā)育的根系表面界面塑造微生物群落構(gòu)建中的關(guān)鍵作用。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu4235