植物根系不僅是吸收水分和養(yǎng)分的關(guān)鍵器官，更被科學(xué)家視為調(diào)控土壤微生物群落的“指揮中心”。傳統(tǒng)認(rèn)知中，根系與微生物的互動長期籠罩在神秘面紗下，盡管學(xué)界已掌握離子組、代謝組等分析技術(shù)，卻始終未能完整描繪微生物在根表的分布規(guī)律。這一科學(xué)空白近日被中瑞聯(lián)合研究團(tuán)隊突破——科學(xué)家首次揭示了植物根系通過特定分子信號引導(dǎo)微生物精準(zhǔn)“定居”的機(jī)制，相關(guān)成果登上國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》封面。

研究團(tuán)隊以擬南芥幼苗為模型，運(yùn)用熒光標(biāo)記活體微生物與超分辨顯微成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)微生物在根表的分布并非隨機(jī)，而是形成高度有序的“聚居帶”。進(jìn)一步追蹤發(fā)現(xiàn)，這種空間格局與根系內(nèi)部凱氏帶結(jié)構(gòu)的完整性直接相關(guān)。凱氏帶作為植物根細(xì)胞間的特殊屏障，形似連續(xù)的環(huán)狀“密封帶”，當(dāng)側(cè)根突破主根生長時，凱氏帶會出現(xiàn)臨時性“缺口”，導(dǎo)致特定營養(yǎng)物質(zhì)外泄。

“這些缺口就像根系發(fā)出的定向信號。”項目負(fù)責(zé)人周峰研究員指出，通過質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，從缺口泄漏的主要物質(zhì)是氨基酸，其中谷氨酰胺的濃度最高。微生物對這種物質(zhì)表現(xiàn)出極強(qiáng)的趨化反應(yīng)，會主動向泄漏源聚集。研究證實，即使根系中存在20種常見氨基酸，唯有谷氨酰胺能觸發(fā)微生物的定向遷移，這種特異性選擇令科研人員驚嘆。

實驗數(shù)據(jù)顯示，側(cè)根萌發(fā)處因凱氏帶斷裂形成的營養(yǎng)泄漏點，成為微生物的“熱門定居區(qū)”。當(dāng)研究人員敲除微生物的氨基酸感知基因后，這些微生物便喪失定向能力，在根表呈現(xiàn)無序分布?；谶@一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊成功繪制出微生物在根表的“定居熱力圖”，揭示了植物通過營養(yǎng)泄漏精準(zhǔn)調(diào)控微生物群落的空間密碼。

微生物群落的構(gòu)成直接影響植物健康。研究發(fā)現(xiàn)，有益菌在根表的高密度定植能促進(jìn)根系生長和養(yǎng)分吸收，而病原菌的過度繁殖則會引發(fā)植物病害。凱氏帶在此過程中扮演著“雙向調(diào)節(jié)器”的角色：既防止內(nèi)部營養(yǎng)過度流失，避免微生物無序增殖，又通過定點泄漏維持根際微生物的動態(tài)平衡。這種精妙的調(diào)控機(jī)制，為開發(fā)新型生物肥料提供了理論支撐。

該成果源于中國科學(xué)院與瑞士洛桑大學(xué)持續(xù)五年的深度合作。雙方團(tuán)隊突破地域與學(xué)科界限，整合植物學(xué)、微生物學(xué)與成像技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢資源，最終攻克了這一困擾學(xué)界多年的難題。研究不僅闡明了植物營養(yǎng)驅(qū)動微生物空間定植的分子機(jī)制，更為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展開辟了新路徑——通過設(shè)計含特定氨基酸的微生物肥料，可精準(zhǔn)引導(dǎo)有益菌群在作物根表定植，提升養(yǎng)分利用效率與抗逆能力。

隨著對根際互作機(jī)制的深入理解，科學(xué)家正嘗試將基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。例如，通過調(diào)控凱氏帶發(fā)育或優(yōu)化氨基酸釋放模式，可能實現(xiàn)微生物群落的定向改造，為發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)、提升土壤碳匯能力提供創(chuàng)新解決方案。這項突破性研究再次證明，跨學(xué)科國際合作是攻克復(fù)雜科學(xué)問題的有效途徑。