华中农大“魔改”芯片电镜，揭示共生固氮暗藏百年的秘密

（编者按：年轻的一代们，不惧怕结果可能走向未知的实验设计，因为非常规的实验体系可能产出全新的现象，从而提供发现未知理论的可能！ ）

如何减少农业生产对化学氮肥的依赖，是保障粮食安全、发展绿色农业面临的重要问题。豆科植物拥有一种特殊的“本领”：它们可以与土壤中的根瘤菌合作，在根部建造天然的“氮肥工厂”—根瘤。在根瘤中根瘤菌能够把空气中植物无法直接利用的氮气，转化为能够被植物直接利用的氮营养，这一过程被称为共生固氮。

共生固氮不仅能为植物提供氮素、降低农业生产成本，还有助于减少过量施用氮肥带来的水体污染、土壤退化和温室气体排放。然而，根瘤菌如何进入豆科植物细胞，并与植物建立稳定而高效的共生关系，仍有待解答。华中农业大学苏超教授与刘培文教授团队从共生界面的微观结构入手，试图揭开这一过程背后的奥秘，为提高豆科植物的固氮效率和推动绿色农业发展提供新的思路。

苏超和刘培文沿着这个思路，使用一台被魔改过的超级显微镜为这个问题找到了一些答案，以高分辨率的方式把根瘤菌进入宿主的细胞学路径从三维角度呈现了出来，相关论文发在 Plant Communications（IF 13.7），论文第一作者是袁金红与高永康。

图 | 论文作者（来源：研究团队）

根瘤菌想进入宿主植物体内，就必须得走这样一条路，这条路是宿主植物自己修的，这条路的名字叫做侵染线。侵染线是一条管状的通道，从宿主植物的根毛一直通到根瘤的内部，根瘤菌会沿着它往里走，最终从管道中出来进入宿主细胞，并在其中建立稳定的共生关系，将空气中的氮气转化为植物能够吸收利用的氮素。

然而，根瘤菌在从通道中出来时还要面对一道特殊的屏障——植物细胞壁。侵染线本身被细胞壁包围，根瘤菌无法直接穿过这道坚固的“围墙”进入植物细胞。因此，植物必须在特定位置对细胞壁进行精准改造，为根瘤菌进入细胞打开一道“门”。随后植物打开这扇“门”，使得根瘤菌进入工作的“车间”（侵染细胞）。

（来源：研究团队）

对于拆墙-建门这个过程，之前从来没有人从三维角度看清过。传统的方法是使用切片，把根瘤切成一张张薄片，放到显微镜下观察。但是切片是二维的，切到哪就只能看到哪。而一个房间可能仅切到一角，一条通道可能仅看到一段，这就好比只看一栋楼的一层平面图，猜不出来整栋楼的管道走向。

他们搭了一套全新的三维显微观测系统，系统核心是一台高速扫描电镜，这台电镜原本是用于检查半导体芯片，分辨率和速度都非常高，他们把它改造之后用来扫描根瘤。

（来源：研究团队）

研究中，他们先把根瘤固定好，用树脂进行包埋，接着用一台超薄切片机把它切成极薄的片。期间一共切了300 多片，每一片都比头发丝还薄。他们把每一片都用扫描电镜拍下来，分辨率接近了 3 纳米，要知道一根头发丝的直径是 6 万到 8 万纳米，这意味着他们能够看清比头发丝细两万多倍的结构。

拍摄完 300 多张照片之后，再把它们对齐、拼接和重建，还原成一栋“三维大楼”的完整结构，这时每一层里通道在哪、房间在哪、墙在哪拆的以及门如何建造的全部都一清二楚。

但是这套系统的搭建过程并不容易，高速扫描电镜原本是为半导体工业设计的，主要用来拍芯片上的电路。要把它改成拍生物样品，就得解决电镜硬件系统重新设计、调试、测试样品固定、染色、导电处理、切片等一系列问题。植物的生物样品含水量高，在真空环境里非常容易变形，为此他们花了不少时间优化固定和脱水流程，终于让样品的原始结构完整保留下来。

更大的挑战在后头，拍完 300 多张照片只是个开始，更困难的是把照片对齐、拼接和三维重建。针对每一张照片里的结构，他们都要在相邻照片里找到对应的位置。植物组织不像芯片那样拥有规整的图案，要想进行对齐主要依靠人工标记特征点，工作量非常巨大。后来，他们把这项技术从脑科学领域移植过来，进行大量适配工作之后，才让它能够在植物样品上顺利运行。

借助该技术，他们成功捕获并重建了侵染线向菌滴转变的完整结构，也就是“门”建造的过程。三维重建结果显示，在菌滴形成过程中，侵染线细胞壁首先在菌滴基部发生局部变薄，随后逐渐降解并最终完全消失，形成根瘤菌可以通过的“门”。

（来源：Plant Communications）

看清楚结构之后，下一步是搞清楚到底是怎么拆的墙。

他们发现一种名为果胶裂解酶（NPL）的蛋白质专门用来拆墙。果胶，是植物细胞壁里的一种胶状物质，果胶裂解酶能够把果胶降解掉。

NPL 并不会沿着整条侵染线随意“拆墙”，而是精准地聚集在菌滴。他们进一步敲除了 NPL 基因。结果发现，缺少 NPL 后，形成的菌滴往往异常膨大，正常的根瘤菌进入植物细胞的过程受到阻碍，根瘤菌也难以被顺利释放。

（来源：Plant Communications）

他们还使用一种名为免疫荧光的技术，对正常的菌滴和缺少 NPL 的菌滴的果胶进行观察，发现正常的菌滴周围是不含有果胶的，而缺少了 NPL 后菌滴周围会富集果胶，说明 NPL 在菌滴形成过程中起到了拆除细胞壁的作用。

（来源：Plant Communications）

而这套三维重构系统本身，也是一个非常重要的技术突破。

之前这类高分辨率三维重构，主要用在脑科学领域。大脑里的神经连接和血管走向，需要三维结构才可以看清楚。但是相关技术在植物科学以及材料科学中使用较少、交叉适配开发较差。

本次成果的贡献之一是，把这项技术第一次系统性地用到了植物科学领域。他们还给这台照相机起了个名字，叫做理化纳米三维重构系统。

（来源：研究团队）

不过，照相机还只是第一步。现在他们正在给这套系统加一个化学探测器，名字叫做纳米红外系统。既然结构能被看清，那么化学组成也能被看清。在某一层的墙壁上，果胶的化学信号是强是弱、有没有被降解、如何链接，都将能被直接看到。而这样的系统，目前在全世界范围内还没有第二套。

有了这套物理结构+化学双模系统之后，能看到的就不只是根瘤菌了。

刘培文告诉 DeepTech，他和团队此前举办过一个小型论坛，邀请了华中农业大学校内校外从事不同领域的师生，想看看这套系统到底能跨界做点什么。此次根瘤只是第一个合作成果，后面还有三个不同项目正在推进，一个是小麦赤霉病项目，一个是柑橘黄龙病项目，还有一个涉及甲壳的微观结构解析项目。一言以蔽之，刘培文希望用一套别人没有的系统，去看前人没看到过的东西。

那么，这项看似微观的“拆墙”研究，为什么与减少氮肥有关？

对豆科作物来说，这项研究解释了植物如何通过精准“拆墙”，为根瘤菌打开进入细胞的大门。未来，人们或许可以利用这一机制培育更容易与根瘤菌“合作”的豆科作物，让根瘤菌更顺利、高效地进入植物细胞并发挥固氮作用。更长远地看，小麦、玉米、水稻这些主粮作物属于禾本科，它们不会和根瘤菌共生，因此它们需要的氮肥全靠人工施用。假如有一天能在小麦等作物根系上也打开这扇“门”，招揽固氮细菌，从而减少化肥的投入，那么农业的面貌就会发生根本性的变化。

图 | 本次相关论文（来源：Plant Communications）

而在未来，他们还想看清楚根瘤菌从这扇门走出来，到底是怎么真正进到“房间”。假如能把这条完整的路径全部打通，也就是打通从侵染线到菌滴再到侵染细胞、也就是从通道到门再到房间，就等于掌握了一套完整的固氮操作指南，届时就能知道根瘤菌怎么进来、怎么安家以及怎么开始工作，人们也就能想办法让它更高效地工作。

除了根瘤菌之外，他们还想用这套系统看点别的。人们已经发现小麦赤霉病会让麦田绝收，柑橘黄龙病会让整片果园毁掉。那么，赤霉病的菌丝怎么进入麦穗的，黄龙病的细菌在树根里怎么扩散的，这些入侵路径假如能被高清还原，就能够有机会找到精准的阻击点。目前，刘培文团队已经跟校内做病害的课题组建立了合作，相关样品正在准备中。

参考资料：

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2026.102034

运营/排版：何晨龙