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——這裡生活著大量微生物,它們附著在根系上,幫助植物吸收養分、抵抗逆境。根系與微生物之間如何互動、如何協作,是科學家努力破解的"地下謎題"。近日,中國科學院分子植物科學卓越創新中心、植物高效碳匯重點實驗室(中國科學院)周峰團隊聯合瑞士洛桑大學的科研人員,在國際學術期刊《科學》上發表封面論文,首次精准揭示了植物根系如何引導微生物在其表面"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布。這種"定居"格局與根系內部的一道特殊屏障——凱氏帶的完整性密切相關。當凱氏帶結構出現"缺口"時,會造成根系內部的營養物質向外泄漏。進一步的研究証實,從這些"缺口"中泄漏出的主要營養物質是氨基酸,尤其是一種叫"谷氨酰胺"的氨基酸分子。
微生物能感知環境中的營養物質,並朝著自己"喜歡"的方向移動,這種現象稱作微生物的"趨化作用"。該研究發現,根部泄漏的谷氨酰胺對微生物具有明顯的趨化性,能夠顯著調控微生物的趨化、繁殖等行為活動。根據這些"聚居區"位置,研究人員准確繪制出根系微生物的"定居地圖"。研究還顯示,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育和養分吸收。然而,若是病原微生物大量繁殖,則會嚴重危害根系及植株的整體健康。這一現象突顯了凱氏帶作為一道"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,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控根系微生物空間分布的精密機制,也為農業可持續發展提供了全新思路:未來或可通過設計氨基酸類微生物肥料,精准引導有益菌群定植,顯著提高作物養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,為發展"固碳增匯"型綠色農業提供了理論依據和技術途徑。
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