植物根系不仅是吸收水分和养分的关键器官，更被科学家视为调控土壤微生物群落的“指挥中心”。传统认知中，根系与微生物的互动长期笼罩在神秘面纱下，尽管学界已掌握离子组、代谢组等分析技术，却始终未能完整描绘微生物在根表的分布规律。这一科学空白近日被中瑞联合研究团队突破——科学家首次揭示了植物根系通过特定分子信号引导微生物精准“定居”的机制，相关成果登上国际权威学术期刊《科学》封面。
研究团队以拟南芥幼苗为模型，运用荧光标记活体微生物与超分辨显微成像技术，发现微生物在根表的分布并非随机，而是形成高度有序的“聚居带”。进一步追踪发现，这种空间格局与根系内部凯氏带结构的完整性直接相关。凯氏带作为植物根细胞间的特殊屏障，形似连续的环状“密封带”，当侧根突破主根生长时，凯氏带会出现临时性“缺口”，导致特定营养物质外泄。
“这些缺口就像根系发出的定向信号。”项目负责人周峰研究员指出，通过质谱分析发现，从缺口泄漏的主要物质是氨基酸，其中谷氨酰胺的浓度最高。微生物对这种物质表现出极强的趋化反应，会主动向泄漏源聚集。研究证实，即使根系中存在20种常见氨基酸，唯有谷氨酰胺能触发微生物的定向迁移，这种特异性选择令科研人员惊叹。
实验数据显示，侧根萌发处因凯氏带断裂形成的营养泄漏点，成为微生物的“热门定居区”。当研究人员敲除微生物的氨基酸感知基因后，这些微生物便丧失定向能力，在根表呈现无序分布。基于这一发现，团队成功绘制出微生物在根表的“定居热力图”，揭示了植物通过营养泄漏精准调控微生物群落的空间密码。
微生物群落的构成直接影响植物健康。研究发现，有益菌在根表的高密度定植能促进根系生长和养分吸收，而病原菌的过度繁殖则会引发植物病害。凯氏带在此过程中扮演着“双向调节器”的角色：既防止内部营养过度流失，避免微生物无序增殖，又通过定点泄漏维持根际微生物的动态平衡。这种精妙的调控机制，为开发新型生物肥料提供了理论支撑。
该成果源于中国科学院与瑞士洛桑大学持续五年的深度合作。双方团队突破地域与学科界限，整合植物学、微生物学与成像技术领域的优势资源，最终攻克了这一困扰学界多年的难题。研究不仅阐明了植物营养驱动微生物空间定植的分子机制，更为农业可持续发展开辟了新路径——通过设计含特定氨基酸的微生物肥料，可精准引导有益菌群在作物根表定植，提升养分利用效率与抗逆能力。
随着对根际互作机制的深入理解，科学家正尝试将基础研究成果转化为实际应用。例如，通过调控凯氏带发育或优化氨基酸释放模式，可能实现微生物群落的定向改造，为发展低碳农业、提升土壤碳汇能力提供创新解决方案。这项突破性研究再次证明，跨学科国际合作是攻克复杂科学问题的有效途径。
