Trends in Microbiology | 谷氨酰胺：“靶向引导”植物根际微生物的“空间定殖”

近日，受Trends in Microbiology期刊邀请，中国热带农业科学院甘蔗研究中心主任阙友雄研究员和美国南卡罗来纳大学傅正擎教授团队共同合作发表了题为Localized glutamine leakage shapes root microbiome的文章（DOI: 10.1016/j.tim.2025.11.004）。深入评述了中国科学院分子植物科学卓越创新中心周峰研究员团队与瑞士洛桑大学Niko Geldner教授团队联合发表在Science上的Localized glutamine leakage drives the spatial structure of root microbial colonization研究工作（10.1126/science.adu4235）。众所周知，在土壤之下，存在一个复杂精妙的生态系统。科学家将一个由根部分泌物主导、通过选择性招募细菌而形成的生态网络称为植物的“第二基因组”。然而，目前尚不清楚哪些根系分泌物组分在决定微生物组的装配中起主导作用以及植物如何调控这一隐秘过程。

长期以来，根部分泌被认为仅有两种机制：一是通过有组织的途径，例如小分子化合物经由膜系统运输或大分子通过分泌作用排出；二是通过较少受调控的方式，例如根冠细胞的脱落。Tsai等人提出了第三种机制：维管组织中的谷氨酰胺渗漏即“瞬时代谢物泄漏”在根际细菌定殖中起核心作用。研究表明，局部谷氨酰胺渗漏会影响微生物的趋化行为和定殖模式（图1）。近期，Science杂志以封面文章的形式报道了Tsai等人的研究成果，揭示了植物如何“引导”微生物在根部空间定殖的分子机制。研究使用绿色荧光蛋白标记的根际共生菌Pseudomonas protegens CHA0（CHA0-gfp2）和高分辨率显微成像技术，发现CHA0-gfp2在根尖分生区和过渡区的丰度最高，并在凯氏带形成前出现另一个富集峰，而随着凯氏带的形成，定殖水平下降，仅在侧根发生区有局部定殖（图1）。这一根系微生物定殖的空间分布模式与凯氏带的完整性密切相关，即凯氏带破坏会改变根系分泌物，进而影响微生物的群落结构。Tsai等人还分析了sgn3 myb36双突变体的根系分泌物，发现该突变体缺乏凯氏带，发生谷氨酰胺渗漏，能够调控微生物的空间定殖。进一步，研究还发现细菌对谷氨酰胺具有强烈的趋化性，源自维管组织的谷氨酰胺渗漏是促进细菌定殖的主要驱动力。相反，缺失氨基酸趋化受体的突变株无法识别谷氨酰胺信号，定殖能力显著下降。在高密度植株条件下，有益细菌在根表富集有助于根的生长，而致病菌的繁殖则会破坏根系并危害植物健康。因此，凯氏带可以通过精确调控养分渗漏来维持微生物群落的平衡和植物健康。以上研究不仅为植物调控根际微生物提供新视角，也有望为作物土传病害的防控提供新理论和新策略。未来可通过氨基酸介导策略设计微生物肥料，提升作物的养分利用和抗逆性。

图1. 局部谷氨酰胺泄漏影响细菌Pseudomonas protegens CHA0沿拟南芥根部的趋化定殖

热带作物生物育种全国重点实验室/中国热带农业科学院甘蔗研究中心/热带生物技术研究所/三亚研究院阙友雄研究员和美国南卡罗来纳大学生物科学系傅正擎教授为该论文共同通讯作者；热带作物生物育种全国重点实验室/中国热科院甘蔗中心吴期滨副研究员为第一作者，王东姣助理研究员为共同作者。论文得到美国国家自然科学基金、国家热科中心科技创新团队和热带作物生物育种全国重点实验室科研项目的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.tim.2025.11.004