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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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微生物如何在植物根系“安家”？中瑞科學(xué)家研究成果登上《科學(xué)》封面
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根系是植物的“大腦”，它不僅是營養(yǎng)吸收的“指揮官”，更是環(huán)境響應(yīng)的“智能中樞”。健康的根系直接決定農(nóng)作物的產(chǎn)量與抗性，并對土壤碳匯功能有重要影響。植物生長不僅依賴陽光雨露，更與土壤中“看不見的世界”密不可分——大量的微生物附著在根系上，幫助植物吸收養(yǎng)分、抵抗逆境。然而，根系與微生物之間如何互動、如何協(xié)作，長期以來很難直接觀測，也是科學(xué)家努力破解的“地下謎題”。 封面論文圖 本文圖片均為中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心供圖 10月3日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、植物高效碳匯重點實驗室（中國科學(xué)院）周峰團隊，聯(lián)合瑞士洛桑大學(xué)的科研人員，在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）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的“分子密碼”。 研究團隊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——凱氏帶的完整性密切相關(guān)。這道物理屏障是通過疏水性的木質(zhì)素沉積來有效阻隔根系內(nèi)、外層細胞間水分、礦物質(zhì)或有害物質(zhì)的運輸。當(dāng)凱氏帶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“缺口”時，會造成根系內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)向外泄漏。進一步的研究證實，從這些“缺口”中泄漏出的主要營養(yǎng)物質(zhì)是氨基酸，尤其是一種叫“谷氨酰胺”的氨基酸分子泄漏量最多。 微生物能感知環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)，并朝著自己“喜歡”的方向移動，這種現(xiàn)象稱作微生物的“趨化作用”，是它們與動、植物互動和適應(yīng)環(huán)境的關(guān)鍵策略。該研究發(fā)現(xiàn)，根部泄漏的谷氨酰胺對微生物具有明顯的趨化性，能夠顯著調(diào)控微生物的趨化、繁殖等行為活動。側(cè)根是根系結(jié)構(gòu)的重要組成部分，當(dāng)側(cè)根從主根生長出時，造成凱氏帶屏障出現(xiàn)“缺口”，導(dǎo)致谷氨酰胺局部泄漏，這如同根系定點發(fā)出的“信號彈”。當(dāng)微生物識別到這些信號后，會自發(fā)地趨向于此，引導(dǎo)它們在根系表面形成有規(guī)律的“聚居區(qū)”。倘若微生物自身喪失感知氨基酸的能力，則容易“迷失方向”，無法準(zhǔn)確找到“定居點”。因此，根據(jù)這些“聚居區(qū)”位置，研究人員便準(zhǔn)確繪制出根系微生物的“定居地圖”。 根系局部釋放的谷氨酰胺調(diào)控根系微生物的空間定植模式 土壤中微生物種類繁多，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？本研究顯示，有益微生物即使大量“定居”，也不會損害根系，且在局部形成高密度定植時，能夠顯著促進根系的生長發(fā)育和養(yǎng)分吸收。然而，若是病原微生物大量繁殖，則會嚴(yán)重危害根系及植株的整體健康。這一現(xiàn)象凸顯了凱氏帶作為一道“智能閘門”的關(guān)鍵作用：通過穩(wěn)定根系內(nèi)部的營養(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。 該研究不僅首次從微觀層面揭示了植物通過局部氨基酸釋放調(diào)控根際微生物空間分布的精密機制，也為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了全新的思路：未來或可通過設(shè)計氨基酸類微生物肥料，精準(zhǔn)引導(dǎo)有益菌群定植，顯著提高作物養(yǎng)分吸收效率和抗逆能力。尤為重要的是，該策略對增強土壤碳匯功能同樣具有重要意義。通過促進根系與微生物互作，可顯著提升土壤有機碳的固定性與穩(wěn)定性：一方面，有益微生物定植優(yōu)化根系生長，增加根系分泌物及殘體輸入，為土壤有機碳庫提供重要來源；另一方面，微生物代謝活動促進土壤團聚體形成，有效減緩有機碳分解，延長碳在土壤中的滯留時間，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳的固存與循環(huán)平衡。 因此，該研究不僅為微生物肥料開發(fā)提供了新靶點，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，助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下的農(nóng)業(yè) |
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