科學家繪製根系微生物“定居地圖”

【環球網科技綜合報道】10月4日消息，植物生長與土壤中的微生物密不可分，健康的植物根系決定農作物的產量與抗性。微生物附着在植物根系上，幫助植物吸收養分、抵抗逆境。但植物根系與微生物處如何互動、協作，長期以來較難直接觀測，成為科學家努力破解的“謎題”。

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心等團隊，首次揭示了植物根系引導微生物在其表面“安家”的奧秘，繪製出根系微生物的“定居地圖”，破譯了控制根系與微生物互動的“分子密碼”。

據悉，相關研究成果發表在《科學》（Science）上。

科研團隊以植物幼苗根系為研究模型，結合熒光標記的活體微生物和高分辨率顯微成像技術，發現微生物在根系表面的“定居”並非雜亂無章，而是呈現有規律的空間分佈。

這種“定居”格局與根系內部的一道特殊屏障——凱氏帶的完整性相關。這道物理屏障通過疏水性的木質素沉積，來阻隔根系內、外層細胞間水分、礦物質或有害物質的運輸。

研究發現，當凱氏帶結構出現“缺口”時，造成根系內部營養物質向外泄漏。泄漏出的主要營養物質是氨基酸，一種稱為“谷氨醯胺”的氨基酸分子泄漏量最多。

研究進一步發現，根部泄漏的谷氨醯胺對微生物具有明顯的趨化性，能夠調控微生物的趨化、繁殖等行為活動。側根是根系結構的重要組成部分，當側根從主根生長出時，導致凱氏帶屏障出現“缺口”，使得谷氨醯胺局部泄漏，這如同根系定點發出的“信號彈”。

當微生物識別到谷氨醯胺信號後，會自發地趨向於此，在根系表面形成有規律的“聚居區”。若微生物自身喪失感知氨基酸的能力，則無法準確定位。因此，根據這些“聚居區”位置，科研團隊可以準確繪製出根系微生物的“定居地圖”。

研究顯示，即使有益微生物大量“定居”也不會損害根系，且在局部形成高密度定植時，能夠促進根系的生長發育和養分吸收。但是，若病原微生物大量繁殖，則危害根系及植株的整體健康。

這一結果突顯了凱氏帶“智能閘門”的關鍵作用——通過穩定根系內部的營養物質防止隨意泄漏，維持根際微生物羣的健康平衡。

該研究首次從微觀層面揭示了植物通過局部氨基酸釋放調控根際微生物空間分佈的精密機制，為農業可持續發展提供了新思路。

該策略對增強土壤碳匯功能具有重要意義。通過促進根系與微生物相互作用，可提升土壤有機碳的固定與穩定性。該研究為微生物肥料開發提供了新靶點，併為發展“固碳增匯”型綠色農業提供了理論依據和技術途徑，有望助力農業綠色轉型。（青雲）