魏路 科技日报记者 王春
植物的生长离不开土壤环境，土壤中除了有植物生长所需的营养物质，还生活着大量微生物——它们附着在根上，帮助植物吸收营养、抵抗逆境。然而，由于根系处于黑暗的土壤中，根系与微生物间的互动协作机制长期难以直接观测，成为科学家努力破解的“地下谜题”。
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，与瑞士洛桑大学合作，在国际权威学术期刊《科学》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”，破译了控制根系与微生物互动的“分子密码”。该研究不仅为微生物肥料开发提供了新靶点，也为发展“固碳增汇”型绿色农业提供了理论依据和技术途径，助力实现“双碳”目标下的农业绿色转型。
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。当屏障出现“缺口”时，会造成根系内部的营养物质向外泄漏，且屏障“缺口”越大，微生物“定居”的就越多。
“凯氏带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。”周峰解释，它像一道“智能闸门”，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。
随后，研究团队发现，泄漏物质的主要成分是氨基酸，尤其是一种名叫“谷氨酰胺”的氨基酸分子泄漏量最多。微生物对有益营养物质表现出很强的趋向性，谷氨酰胺泄漏影响了微生物的“趋化”“定居”等行为活动。侧根是根系结构的重要组成部分，当侧根从主根长出时，会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”，吸引微生物聚集于此。倘若微生物丧失感知氨基酸的能力，则会“迷路”，无法准确找到“定居点”。根据这些“定居点”位置，研究人员便准确绘制出根系微生物的“定居地图”。
“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，提高作物养分吸收效率和抗逆能力，为绿色农业和土壤碳汇提供新的解决方案。”中国工程院院士万建民评价。
健康的根系直接决定农作物的产量与抗性，并对土壤碳汇功能有重要影响。周峰介绍，通过促进根系与微生物互作，可显著提升土壤有机碳的固定与稳定性。一方面，有益微生物定植优化根系生长，增加根系分泌物及残体输入，为土壤有机碳库提供重要来源；另一方面，微生物代谢活动促进土壤团聚体形成，有效减缓有机碳分解，延长碳在土壤中的滞留时间，实现农业生态系统碳的固存与循环平衡。
“这次成果是中瑞科学家联合攻关，是国际合作的重要成果，充分体现了开放共享、协同创新的科学精神，为应对全球科学挑战树立了典范。”分子植物卓越中心主任、中国科学院院士韩斌说。
据悉，该成果始于多年前周峰在瑞士洛桑大学实验室进行博士后研究时获得的初步发现；2020年周峰回国后继续深入探索该领域；后相关方向被纳入“十四五”国家重点研发计划项目中得以推进。
“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。两个团队的合作为我们带来了单靠一方无法实现的合作网络与科研条件，使我们不仅能扎实攻关，更敢于尝试变革性的新方法。”该论文倒数第二共同通讯作者、瑞士洛桑大学尼科·盖尔德纳教授说。
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