摘要：
... 根系是植物的“大脑”，它不仅是营养吸收的“指挥官”，更是环境响应的“智能中枢”。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。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——大量的微生物附着在根系上，帮助植物吸收养分、抵抗逆境。然而，根系与微生物之间如何互动、如何协作，长期以来很难直接观测，也是科学家努力破解的“地下谜题”。
封面论文图 本文图片均为中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图
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》（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”。
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。这道物理屏障是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。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。进一步的研究证实，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。该研究发现，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”。
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
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？本研究显示，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。这一现象凸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。尤为重要的是，该策略对增强土壤碳汇功能同样具有重要意义。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性与稳定性：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。
因此，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。
