科学家绘制根系微生物“定居地图”

植物生长与土壤中的微生物密不可分，健康的植物根系决定农作物的产量与抗性。微生物附着在植物根系上，帮助植物吸收养分、抵抗逆境。但植物根系与微生物处如何互动、协作，长期以来较难直接观测，成为科学家努力破解的“谜题”。

近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心等团队，首次揭示了植物根系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”，破译了控制根系与微生物互动的“分子密码”。

科研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——凯氏带的完整性相关。这道物理屏障通过疏水性的木质素沉积，来阻隔根系内、外层细胞间水分、矿物质或有害物质的运输。

研究发现，当凯氏带结构出现“缺口”时，造成根系内部营养物质向外泄漏。泄漏出的主要营养物质是氨基酸，一种称为“谷氨酰胺”的氨基酸分子泄漏量最多。

研究进一步发现，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，导致凯氏带屏障出现“缺口”，使得谷氨酰胺局部泄漏，这如同根系定点发出的“信号弹”。

当微生物识别到谷氨酰胺信号后，会自发地趋向于此，在根系表面形成有规律的“聚居区”。若微生物自身丧失感知氨基酸的能力，则无法准确定位。因此，根据这些“聚居区”位置，科研团队可以准确绘制出根系微生物的“定居地图”。

研究显示，即使有益微生物大量“定居”也不会损害根系，且在局部形成高密度定植时，能够促进根系的生长发育和养分吸收。但是，若病原微生物大量繁殖，则危害根系及植株的整体健康。

这一结果突显了凯氏带“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，维持根际微生物群的健康平衡。

该研究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，为农业可持续发展提供了新思路。

该策略对增强土壤碳汇功能具有重要意义。通过促进根系与微生物相互作用，可提升土壤有机碳的固定与稳定性。该研究为微生物肥料开发提供了新靶点，并为发展“固碳增汇”型绿色农业提供了理论依据和技术途径，有望助力农业绿色转型。

相关研究成果发表在《科学》（Science）上。

当期封面

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