近日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、植物高效碳匯重點實驗室（中國科學(xué)院）周峰團(tuán)隊，聯(lián)合瑞士洛桑大學(xué)Niko Geldner團(tuán)隊，在國際權(quán)威期刊Science上發(fā)表了題為“Localized glutamine leakage drives the spatial structure of root microbial colonization”的封面論文。該研究首次精準(zhǔn)揭示了植物根系如何引導(dǎo)微生物在其表面“安家”的奧秘，繪制出根系微生物的“定居地圖”，破譯了控制根系與微生物空間互動的“分子密碼”。

《左傳》有云：“木水之有本原（源）”，道出了根系對于植物的“基石”作用。同時，根系也是植物的“大腦”，它不僅是營養(yǎng)吸收的“指揮官”，更是環(huán)境響應(yīng)的“智能中樞”。健康的根系直接決定作物的產(chǎn)量與抗性，并對土壤碳匯功能有重要影響。植物生長不僅依賴陽光雨露，更與土壤中“看不見的世界”密不可分——這里生活著大量微生物，它們附著在根上，幫助植物吸收養(yǎng)分、抵抗逆境。然而，由于處于黑暗的土壤環(huán)境，根系與微生物之間如何互動與協(xié)作，長期以來難以直接觀測，這成為科學(xué)家努力破解的“地下謎題”。

研究團(tuán)隊以植物幼苗根系為研究對象，結(jié)合熒光標(biāo)記微生物和高分辨率顯微成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)微生物在根系表面的“定居”并非雜亂無章，而是呈現(xiàn)有規(guī)律的空間分布。這種“定居”格局與根系內(nèi)皮層細(xì)胞上的一道特殊屏障——凱氏帶的完整性密切相關(guān)。這道物理屏障是通過疏水性的木質(zhì)素定點沉積來有效阻隔根系內(nèi)、外層細(xì)胞間水分、礦物質(zhì)或有害物質(zhì)的運輸。當(dāng)凱氏帶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“缺口”，會造成根系內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)向外泄漏，且凱氏帶缺陷程度越強，微生物的定植量也就越多。

微生物感知環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)的濃度梯度，并定向移動至有益物質(zhì)（如營養(yǎng)物質(zhì)）或逃離有害物質(zhì)的行為，稱作微生物趨化作用，它是微生物與動、植物互動和適應(yīng)環(huán)境的關(guān)鍵策略。本研究發(fā)現(xiàn)，從凱氏帶“缺口”中泄漏出的主要營養(yǎng)物質(zhì)是氨基酸，尤其以谷氨酰胺的泄漏量最多。這些來源于根維管組織的高濃度谷氨酰胺對微生物具有明顯的趨化作用，能夠顯著調(diào)控微生物的趨化、繁殖等行為活動。

側(cè)根是根系結(jié)構(gòu)的重要組成部分。當(dāng)側(cè)根從主根生長出時，造成凱氏帶屏障出現(xiàn)“缺口”，導(dǎo)致谷氨酰胺局部泄漏，這如同根系定點釋放出的“誘餌”。當(dāng)微生物識別到谷氨酰胺信號后，便會自發(fā)的趨向于此，引導(dǎo)它們在根系表面形成有規(guī)律的“聚居區(qū)”。倘若微生物自身喪失感知氨基酸的趨化受體，則容易“迷失方向”，無法在側(cè)根位置大量定植。因此，根據(jù)這些“定居點”位置，研究團(tuán)隊便精確繪制出根系微生物的“定居地圖”。

土壤中微生物種類繁多，既包括有益微生物，也存在少量病原微生物。是否微生物“定居”得越多，根系就越健康呢？本研究顯示，有益微生物即使大量“定居”，也不會損害根系，且在局部形成高密度定植時，能夠顯著促進(jìn)根系的生長發(fā)育和養(yǎng)分吸收。然而，若是病原微生物大量繁殖，則會嚴(yán)重危害根系及植株的整體健康。這一現(xiàn)象突顯了凱氏帶作為一道“智能閘門”的關(guān)鍵作用：通過穩(wěn)定根系內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)，防止隨意泄漏，從而維持根際微生物群的健康平衡。

該研究不僅首次從微觀層面揭示了植物通過局部氨基酸釋放調(diào)控根際微生物空間分布的精密機制，也為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了全新的思路：未來或可通過設(shè)計氨基酸類微生物肥料，精準(zhǔn)引導(dǎo)有益菌群定植，顯著提高作物養(yǎng)分吸收效率和抗逆能力。該研究也為發(fā)展“固碳增匯”型綠色農(nóng)業(yè)提供了理論依據(jù)和技術(shù)途徑，助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下的農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型。

根系局部釋放的谷氨酰胺調(diào)控根系微生物的空間定植模式

Science文章封面

分子植物卓越中心博士生唐元杰和瑞士洛桑大學(xué)植物分子生物學(xué)系博士后蔡慧萱為論文共同第一作者，分子植物卓越中心周峰研究員和瑞士洛桑大學(xué)Niko Geldner教授為共同通訊作者。該研究得到“十四五”國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項、歐洲研究委員會基金等項目的資助。

論文鏈接：

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