2025年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Niko Geldner团队，在国际权威期刊Science上发表了题为“Localized glutamine leakage drives the spatial structure of root microbial colonization”的封面论文。该研究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空间互动的“分子密码”。

《左传》有云：“木水之有本原（源）”，道出了根系对于植物的“基石”作用。同时，根系也是植物的“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——这里生活着大量微生物，它们附着在根上，帮助植物吸收养分、抵抗逆境。然而，由于处于黑暗的土壤环境，根系与微生物之间如何互动与协作，长期以来难以直接观测，这成为科学家努力破解的“地下谜题”。

研究团队以植物幼苗根系为研究对象，结合荧光标记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”格局与根系内皮层细胞上的一道特殊屏障——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定点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”，会造成根系内部的营养物质向外泄漏，且凯氏带缺陷程度越强，微生物的定植量也就越多。

微生物感知环境中化学物质的浓度梯度，并定向移动至有益物质（如营养物质）或逃离有害物质的行为，称作微生物趋化作用，它是微生物与动、植物互动和适应环境的关键策略。本研究发现，从凯氏带“缺口”中泄漏出的主要营养物质是氨基酸，尤其以谷氨酰胺的泄漏量最多。这些来源于根维管组织的高浓度谷氨酰胺对微生物具有明显的趋化作用，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，这如同根系定点释放出的“诱饵”。当微生物识别到谷氨酰胺信号后，便会自发的趋向于此，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趋化受体，则容易“迷失方向”，无法在侧根位置大量定植。因此，根据这些“定居点”位置，研究团队便精确绘制出根系微生物的“定居地图”。

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。这一现象突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。该研究也为发展“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。

分子植物卓越中心博士生唐元杰和瑞士洛桑大学植物分子生物学系博士后蔡慧萱为论文共同第一作者，分子植物卓越中心周峰研究员和瑞士洛桑大学Niko Geldner教授为共同通讯作者。该研究得到“十四五”国家重点研发计划、中国科学院B类先导专项、欧洲研究委员会基金等项目的资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu4235

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

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