中瑞两国科研人员联手绘制微生物在植物根系的“定居地图”

  植物生长与土壤中的微生物密不可分。植物根系与微生物之间如何互动和协作，是科学家努力破解的“地下谜题”。

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  《科学》杂志文章封面图。（中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图）

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  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》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”。

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  据中国科学院分子植物科学卓越创新中心周峰研究员介绍，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“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。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。

  根系局部释放“谷氨酰胺”调控根系微生物示意图。（中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图）

  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。

  此次研究发现，植物根部泄漏的“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。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，会自发地趋向于此，引导它们在根系表面形成有规律的聚居区。如果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’。”周峰说，“根据这些‘定居点’的位置，我们便可以准确绘制出根系微生物的‘定居地图’。”

  9月28日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心周峰研究员介绍科研成果。 新华社记者张建松 摄

  业内专家认为，该研究不仅揭示了“凯氏带”介导的根系分泌新途径，为实现作物根际有益菌群的精准定向富集提供了技术路径，也为发展“固碳增汇”型绿色农业奠定了理论基础，可望助力实现“双碳”目标下的农业绿色转型，具有重要而深远的科学意义。（记者张建松）