魏路 科技日?qǐng)?bào)記者 王春

植物的生長(zhǎng)離不開土壤環(huán)境，土壤中除了有植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還生活著大量微生物——它們附著在根上，幫助植物吸收營(yíng)養(yǎng)、抵抗逆境。然而，由于根系處于黑暗的土壤中，根系與微生物間的互動(dòng)協(xié)作機(jī)制長(zhǎng)期難以直接觀測(cè)，成為科學(xué)家努力破解的“地下謎題”。

10月3日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、植物高效碳匯重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院）周峰團(tuán)隊(duì)，與瑞士洛桑大學(xué)合作，在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表封面論文，首次精準(zhǔn)揭示了植物根系如何引導(dǎo)微生物在其表面“安家”的奧秘，繪制出根系微生物的“定居地圖”，破譯了控制根系與微生物互動(dòng)的“分子密碼”。該研究不僅為微生物肥料開發(fā)提供了新靶點(diǎn)，也為發(fā)展“固碳增匯”型綠色農(nóng)業(yè)提供了理論依據(jù)和技術(shù)途徑，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下的農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型。

研究團(tuán)隊(duì)以植物幼苗根系為研究模型，結(jié)合熒光標(biāo)記的活體微生物和高分辨率顯微成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)微生物在根系表面的“定居”并非雜亂無(wú)章，而是呈現(xiàn)有規(guī)律的空間分布。這種“定居”格局與根系內(nèi)部的一道特殊屏障——?jiǎng)P氏帶的完整性密切相關(guān)。當(dāng)屏障出現(xiàn)“缺口”時(shí)，會(huì)造成根系內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向外泄漏，且屏障“缺口”越大，微生物“定居”的就越多。

“凱氏帶通過(guò)疏水性的木質(zhì)素沉積，來(lái)有效阻隔根系內(nèi)、外層細(xì)胞間水分、礦物質(zhì)或有害物質(zhì)的運(yùn)輸?！敝芊褰忉專褚坏馈爸悄荛l門”，通過(guò)穩(wěn)定根系內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，防止隨意泄漏，從而維持根際微生物群的健康平衡。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，泄漏物質(zhì)的主要成分是氨基酸，尤其是一種名叫“谷氨酰胺”的氨基酸分子泄漏量最多。微生物對(duì)有益營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的趨向性，谷氨酰胺泄漏影響了微生物的“趨化”“定居”等行為活動(dòng)。側(cè)根是根系結(jié)構(gòu)的重要組成部分，當(dāng)側(cè)根從主根長(zhǎng)出時(shí)，會(huì)造成凱氏帶屏障出現(xiàn)“缺口”，導(dǎo)致谷氨酰胺局部泄漏。這如同根系定點(diǎn)發(fā)出的“信號(hào)彈”，吸引微生物聚集于此。倘若微生物喪失感知氨基酸的能力，則會(huì)“迷路”，無(wú)法準(zhǔn)確找到“定居點(diǎn)”。根據(jù)這些“定居點(diǎn)”位置，研究人員便準(zhǔn)確繪制出根系微生物的“定居地圖”。

“該研究不僅首次從微觀層面揭示了植物通過(guò)局部氨基酸釋放調(diào)控根際微生物空間分布的精密機(jī)制，也為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了全新的思路。未來(lái)或可通過(guò)設(shè)計(jì)氨基酸類微生物肥料，精準(zhǔn)引導(dǎo)有益菌群定植，提高作物養(yǎng)分吸收效率和抗逆能力，為綠色農(nóng)業(yè)和土壤碳匯提供新的解決方案?！敝袊?guó)工程院院士萬(wàn)建民評(píng)價(jià)。

健康的根系直接決定農(nóng)作物的產(chǎn)量與抗性，并對(duì)土壤碳匯功能有重要影響。周峰介紹，通過(guò)促進(jìn)根系與微生物互作，可顯著提升土壤有機(jī)碳的固定與穩(wěn)定性。一方面，有益微生物定植優(yōu)化根系生長(zhǎng)，增加根系分泌物及殘?bào)w輸入，為土壤有機(jī)碳庫(kù)提供重要來(lái)源；另一方面，微生物代謝活動(dòng)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，有效減緩有機(jī)碳分解，延長(zhǎng)碳在土壤中的滯留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳的固存與循環(huán)平衡。

“這次成果是中瑞科學(xué)家聯(lián)合攻關(guān)，是國(guó)際合作的重要成果，充分體現(xiàn)了開放共享、協(xié)同創(chuàng)新的科學(xué)精神，為應(yīng)對(duì)全球科學(xué)挑戰(zhàn)樹立了典范?！狈肿又参镒吭街行闹魅?、中國(guó)科學(xué)院院士韓斌說(shuō)。

據(jù)悉，該成果始于多年前周峰在瑞士洛桑大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士后研究時(shí)獲得的初步發(fā)現(xiàn)；2020年周峰回國(guó)后繼續(xù)深入探索該領(lǐng)域；后相關(guān)方向被納入“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目中得以推進(jìn)。

“這項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)，離不開中瑞兩國(guó)實(shí)驗(yàn)室的緊密協(xié)作，也受益于德國(guó)同事的支持。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的合作為我們帶來(lái)了單靠一方無(wú)法實(shí)現(xiàn)的合作網(wǎng)絡(luò)與科研條件，使我們不僅能扎實(shí)攻關(guān)，更敢于嘗試變革性的新方法?！痹撜撐牡箶?shù)第二共同通訊作者、瑞士洛桑大學(xué)尼科·蓋爾德納教授說(shuō)。