青果期刊 | 植生所：揭示植物根系如何引导微生物在其表面“定居”的奥秘（Science）

研究概要：

    植物生长与土壤中的微生物密不可分，健康的根系直接决定作物的产量与抗性，并对土壤碳汇功能有重要影响。植物生长不仅依赖阳光雨露，更与土壤中“看不见的世界”密不可分——这里生活着大量微生物，它们附着在根上，帮助植物吸收养分、抵抗逆境。然而，由于处于黑暗的土壤环境，根系与微生物之间如何互动与协作，长期以来难以直接观测，这成为科学家努力破解的“地下谜题”。该研究以植物幼苗根系为研究对象，结合荧光标记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，而这种“定居”格局与根系内皮层细胞上的一道特殊屏障——凯氏带的完整性密切相关。这道物理屏障是通过疏水性的木质素定点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”，会造成根系内部的营养物质向外泄漏，微生物感知环境中化学物质的浓度梯度，并定向移动至有益物质（如营养物质）或逃离有害物质的行为，称作微生物趋化作用，它是微生物与动、植物互动和适应环境的关键策略。

    研究发现：从凯氏带“缺口”中泄漏出的主要营养物质是氨基酸，尤其以谷氨酰胺的泄漏量最多，这些来源于根维管组织的高浓度谷氨酰胺对微生物具有明显的趋化作用，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，这如同根系定点释放出的“诱饵”，当微生物识别到谷氨酰胺信号后，便会自发的趋向于此，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趋化受体，则容易“迷失方向”，无法在侧根位置大量定植，因此，根据这些“定居点”位置，研究团队便精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。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，而若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。

    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。该研究也为发展“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。

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

周峰研究组

核心PI