众所周知，根系是植物的“基石”和“大脑”。老祖宗为我们留下了“根深叶茂”“本固枝荣”等成语，点出了根系的重要性。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。
科研人员愈发认识到，根际微生物是地球生命活动的重要组成部分。然而，无论是离子组、代谢组、宏基因组等当下根系与微生物互作的研究方法都存在局限。
北京时间今天（10月3日）凌晨，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，在国际顶尖学术期刊《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”，破译了控制根系与微生物互动的“分子密码”。
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。
从科研人员展示的图片来看，凯氏带是类似长方形的连片、带状结构。“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。”周峰研究员告诉新民晚报记者，“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——这种现象被称作微生物的“趋化作用”。在此项研究中，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。
“我们原本认为，会不会微生物和人一样，因为甜食——糖，而产生趋化作用，可后来通过质谱检测方法才发现，是谷氨酰胺驱使微生物向其移动。”周峰补充说，“根系内部的维管组织中有常见的20种氨基酸，可只有含量最大的谷氨酰胺才能吸引微生物，这让我们觉得非常神奇。”
研究还发现，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，会自发地趋向于此，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？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“双向守门员”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
“研究揭示了凯氏带屏障在调节微生物定植、菌群结构组成和促进根系生长的重要功能；首次在微观水平阐明了植物营养驱动根际微生物空间定植的信号识别机制。”周峰表示。
未来，科研人员有望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。同时，研究也为发展“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。
周峰特别强调，上海的研究团队与瑞士的科研团队保持了长达五年的高效、且密切的合作，这样的“强强联合”是研究成果登上国际顶刊封面的必要条件。