中外科学家破译植物的“地下朋友圈”

你可曾想过，植物扎根的土壤环境就像人的肠道一样，生活着大量微生物。它们附着在根系上，帮助植物吸收养分、抵抗逆境。根系是如何引导微生物“安营扎寨”的？怎么和微生物互动、打配合？微生物又如何帮助根系坐稳植物“大脑”的宝座、影响农作物的产量与抗性？

10月3日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心、植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）周峰团队，联合瑞士洛桑大学的科研人员，在国际权威学术期刊《科学》（Science）上发表封面论文，首次精准揭示了植物根系如何引导微生物在其表面“安家”的奥秘，绘制出根系微生物的“定居地图”，破译了根系与它的“地下朋友圈”如何互相协作。

文章封面图

研究团队以植物幼苗根系为研究模型，结合荧光标记的活体微生物和高分辨率显微成像技术，发现微生物在根系表面的“定居”并非杂乱无章，而是呈现有规律的空间分布。这种“定居”格局与根系内部的一道特殊屏障——凯氏带的完整性密切相关。

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什么是凯氏带？根的初生结构分为表皮、皮层和维管柱3个部分。皮层最里一层细胞为内皮层，细胞排列整齐而紧密，在该层细胞的横向壁和径向壁上，常有木质化和栓质化的加厚，呈带状环绕细胞一周，此结构称作凯氏带，由德国植物学家卡斯帕里1865年发现。凯氏带好比一道物理屏障，通过疏水性的木质素沉积来有效阻隔根系内、外层细胞间水分、矿物质或有害物质的运输。

当凯氏带结构出现“缺口”时，会造成根系内部的营养物质向外泄漏。进一步的研究证实，从这些“缺口”中泄漏出的主要营养物质是氨基酸，尤其是一种叫“谷氨酰胺”的氨基酸分子泄漏量最多。

微生物能感知环境中的营养物质，并朝着自己“喜欢”的方向移动，这种现象称作微生物的“趋化作用”，是它们与动、植物互动和适应环境的关键策略。本研究发现，根部泄漏的谷氨酰胺对微生物具有明显的趋化性，能够显著调控微生物的趋化、繁殖等行为活动。侧根是根系结构的重要组成部分，当侧根从主根生长出时，造成凯氏带屏障出现“缺口”，导致谷氨酰胺局部泄漏，这如同根系定点发出的“信号弹”。当微生物识别到这些信号后，会自发的趋向于此，引导它们在根系表面形成有规律的“聚居区”。倘若微生物自身丧失感知氨基酸的能力，则容易“迷失方向”，无法准确找到“定居点”。因此，根据这些“聚居区”位置，研究人员便准确绘制出根系微生物的“定居地图”。

土壤中微生物种类繁多，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？该研究显示，有益微生物即使大量“定居”，也不会损害根系，且在局部形成高密度定植时，能够显著促进根系的生长发育和养分吸收。然而，若是病原微生物大量繁殖，则会严重危害根系及植株的整体健康。这一现象突显了凯氏带作为一道“智能闸门”的关键作用：通过稳定根系内部的营养物质，防止随意泄漏，从而维持根际微生物群的健康平衡。

根系局部释放的谷氨酰胺调控根系微生物的空间定植模式

中国工程院院士万建民评价：“该研究不仅首次从微观层面揭示了植物通过局部氨基酸释放调控根际微生物空间分布的精密机制，也为农业可持续发展提供了全新的思路：未来或可通过设计氨基酸类微生物肥料，精准引导有益菌群定植，显著提高作物养分吸收效率和抗逆能力。”

植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）主任王佳伟认为，通过促进根系与微生物的互作，还可以优化根系生长，增加根系分泌物及残体进入土壤有机碳库，从而提升土壤有机碳库的容量与稳定性，为实现零碳农业提供了一种潜在的技术手段。

这是中国科学院分子植物科学卓越创新中心今年发表的第10篇三大刊（《自然》《科学》《细胞》）论文，也是中国和瑞士两国科学家长达5年紧密协作的成果。7年前，周峰在瑞士洛桑大学从事博士后研究时，就注意到这一有趣的现象。当他回到国内，入职中国科学院分子植物科学卓越创新中心，得到中心大力支持。经过数年不懈的科研长跑，最终揭开困扰科学界多年的“地下谜题”。

周峰（后排左三）科研团队合影

瑞士洛桑大学科学家尼科·盖尔德纳说：“这项突破性发现，离不开中瑞两国实验室的紧密协作，也受益于德国同事的支持。这一切始于多年前周峰在我实验室进行博士后研究时获得的初步发现，他回到上海建立自己的实验室后，继续深入探索，相关方向也纳入我在洛桑获得的欧洲研究委员会项目支持之中。”

尼科·盖尔德纳认为，此项工作的成功还需依赖信任，包括课题组长在瑞士共事时建立的信任、团队成员间的信任，以及来自行政与政策层面的信任——他们提供资源，不要求每季度展示“可预测的进展”，而是相信科学家会为取得突破性发现而持续努力。

“在当今地缘政治博弈加剧的时期，我们更应珍视并庆祝这种跨越全球的合作仍能实现。唯有让全球科学家自由联通、携手合作，人类进步才能变得更快。”尼科·盖尔德纳最后表示。（文中图片及视频由中国科学院分子植物科学卓越创新中心提供）