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當(dāng)期封面。分子植物卓越中心供圖

“這張照片感覺不夠好啊。”

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（以下簡稱分子植物卓越中心）研究員周峰看到學(xué)生唐元杰拍的顯微照片時(shí)，直截了當(dāng)?shù)卣f。

過去5年間，周峰團(tuán)隊(duì)和瑞士洛桑大學(xué)教授尼科·蓋爾德納團(tuán)隊(duì)合作，致力于摸清土壤中植物根系和微生物之間互動(dòng)的門道。側(cè)根發(fā)生位置對微生物的吸引作用是其中一個(gè)重要結(jié)論，而唐元杰拍的顯微照片中側(cè)根部位細(xì)胞輪廓并不清晰。

不過，周峰很快有了不同看法。回家后，他把圖片給孩子看，上幼兒園的女兒說“爸爸，這像一個(gè)發(fā)炎的膝蓋”，上小學(xué)的兒子說“老爸，這像是一個(gè)正在從周圍吸收物質(zhì)的黑洞”。周峰這才意識到，這張不夠完美的圖片，反而能給人更多想象空間。

抱著試試看的想法，他們把這張照片投給了《科學(xué)》編輯部。一周后，這張照片被選作期刊封面。近日，相關(guān)研究以封面論文形式在《科學(xué)》正式發(fā)表。

“根和土的界面研究長期處于‘黑箱狀態(tài)’。周峰團(tuán)隊(duì)首次利用可視化技術(shù)手段，從微觀細(xì)胞水平精準(zhǔn)繪制了微生物在根系上的‘定居地圖’，證實(shí)了谷氨酰胺作為營養(yǎng)與信號分子調(diào)控微生物在根部的定植。”中國工程院院士萬建民評價(jià)，“這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)安全綠色肥料、提高作物營養(yǎng)吸收效率和抗病能力、助力綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了新方案。”

“沒想到”：解碼“黑箱”問題

2018年，在蓋爾德納課題組從事博士后研究期間，周峰偶然發(fā)現(xiàn)，把植物放在水培體系中，能清晰觀察到微生物在根系的分布情況。由于當(dāng)時(shí)忙于解析植物根系局部免疫的“細(xì)胞損傷門控”機(jī)制，周峰把這個(gè)發(fā)現(xiàn)暫時(shí)放下了。2020年，周峰回國加入分子植物卓越中心組建實(shí)驗(yàn)室后，第一時(shí)間重啟了這個(gè)課題。

唐元杰是周峰的第一屆博士生。“我們需要用顯微鏡觀察植物表型，但我剛來時(shí)照片拍得并不好，在周老師耐心指導(dǎo)下才逐步掌握了操作要領(lǐng)。”唐元杰說。

熟能生巧后，他們結(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)拍攝了幾千張照片，并逐步繪制出微生物在根系表面的“定居地圖”。

整個(gè)研究過程像是一個(gè)層層遞進(jìn)的“尋寶游戲”。他們先是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了周峰2018年的偶然發(fā)現(xiàn)。微生物在根系表面的“定居”呈現(xiàn)有規(guī)律的空間分布，而這種“定居”格局與凱氏帶的完整性密切相關(guān)。“凱氏帶是根系內(nèi)部的一道特殊屏障，猶如雙向守門員，既阻止外來有害物質(zhì)進(jìn)入植物體內(nèi)，也防止植物體內(nèi)的營養(yǎng)成分向外泄漏。”周峰說。

當(dāng)凱氏帶出現(xiàn)缺口時(shí)，屏障被打破，營養(yǎng)物質(zhì)通過缺口泄漏。而微生物基因中刻著“趨化作用”，即能夠感知環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)，并朝著“喜歡”的方向移動(dòng)。

那么，吸引微生物聚集的信號分子是什么？周峰等人起初推測是糖，這是植物光合作用的產(chǎn)物，也是能量的直接來源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻讓他們直呼“沒想到”，質(zhì)譜分析結(jié)果顯示，根系內(nèi)部泄漏的物質(zhì)中約70%是氨基酸，糖類物質(zhì)幾乎檢測不到。

“學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為，植物通過糖類、脂肪酸或有機(jī)酸調(diào)控微生物定植，氨基酸起到的作用非常有限。”唐元杰說，“我們開始不敢斷言是氨基酸，反復(fù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)體系，經(jīng)過長達(dá)一年多的重復(fù)才敢最終確定。”

無疑，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的植物信號分子調(diào)控微生物的定植。但他們并未滿足于此，而是經(jīng)過抽絲剝繭，結(jié)合多種實(shí)驗(yàn)手段，確定了谷氨酰胺是調(diào)控微生物的趨化、繁殖等行為活動(dòng)的主要氨基酸，最終順利破譯了控制根系與微生物互動(dòng)的“分子密碼”。

在凱氏帶屏障尚未完全形成時(shí)或出現(xiàn)局部破損（側(cè)根生長處）的區(qū)域，谷氨酰胺局部泄漏，釋放出“信號彈”，吸引微生物趨向于此，進(jìn)而在根系表面形成有規(guī)律的“聚居區(qū)”。當(dāng)然，如果微生物喪失了感知氨基酸的“嗅覺”，則會(huì)“迷失方向”，無法準(zhǔn)確找到“定居點(diǎn)”。

值得一提的是，當(dāng)有益微生物在根系局部大量“定居”時(shí)，能夠顯著促進(jìn)根系的生長發(fā)育和養(yǎng)分吸收；病原微生物大量繁殖則會(huì)嚴(yán)重危害根系，甚至影響植株整體健康。此時(shí)，凱氏帶起到了“智能閘門”作用，通過穩(wěn)定根系內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)，歡迎有益微生物“入住”，維持根際微生物群的健康平衡。

“這是一個(gè)在植物中廣泛存在的現(xiàn)象，我們在水稻、百脈根、苜蓿等的根系中發(fā)現(xiàn)了同樣的定植模式。”周峰補(bǔ)充道。

“很愉快”：組建“跨國課題組”

“這項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)離不開中瑞兩國實(shí)驗(yàn)室的緊密協(xié)作，也依賴于團(tuán)隊(duì)成員之間的信任，以及行政與政策層面的支持。”蓋爾德納專門錄制了祝賀視頻，強(qiáng)調(diào)國際合作對推動(dòng)科學(xué)突破、人類進(jìn)步有重要意義。

周峰對此深表贊同：“我們有著共同的科學(xué)目標(biāo)，一開始就沒有糾結(jié)貢獻(xiàn)、署名順序等問題。雖然是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)，但開展這項(xiàng)工作時(shí)更像是一個(gè)跨國課題組，整個(gè)過程非常愉快。”

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)充分利用自身優(yōu)勢和資源，保持了長達(dá)5年高效且密切的合作。其中，周峰團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)根系分泌物化合物鑒定和植物表型部分的工作，蓋爾德納團(tuán)隊(duì)則著重開展構(gòu)建細(xì)菌突變體等微生物相關(guān)的工作。但更多時(shí)候，很難量化描述兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分別做了什么。每次召開線上會(huì)議時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員都十分專注，討論非常激烈，意見相左的時(shí)候不在少數(shù)。正是在一次次思維碰撞中，瓶頸問題被一一解決。

分子植物卓越中心和洛桑大學(xué)也給予了科學(xué)家足夠的信任。“它們提供了科研所需的各類資源，同時(shí)不要求科學(xué)家在短期內(nèi)展示‘可預(yù)測的進(jìn)展’。”蓋爾德納表示。

“這是國際合作的典范，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、真誠合作，為后續(xù)中國科學(xué)家與國際學(xué)者合作提供了很好的樣板。”中國科學(xué)院院士、分子植物卓越中心主任韓斌說，“我們也在思考，如何在國際合作方面更好布局，讓我們的前沿技術(shù)惠及更多國家。”

“在路上”：發(fā)展“固碳增匯”型綠色農(nóng)業(yè)

在過去十幾年間，周峰每隔一段時(shí)間就會(huì)取得一個(gè)重要成果。博士期間，周峰師從萬建民，憑借“闡明獨(dú)腳金內(nèi)酯調(diào)控水稻分蘗和株型的信號途徑”獲2014年度中國科學(xué)十大進(jìn)展；博士后期間的工作則使他成為植物學(xué)領(lǐng)域首位獲本源公益“青年P(guān)I助研金”的科學(xué)家。

回國后，周峰依然“在路上”，關(guān)注植物根系免疫及與根際微生物互作這一問題。此次發(fā)表的研究是周峰的階段性工作成果，也是植物高效碳匯重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院）科研進(jìn)展的關(guān)鍵一環(huán)。

分子植物卓越中心研究員、植物高效碳匯重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院）主任王佳偉介紹：“目前全球科學(xué)家都在試圖通過改造植物，提高土壤碳匯、減少空氣中二氧化碳。包括諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者珍妮弗·道德納在內(nèi)的科研團(tuán)隊(duì)，都在開展相關(guān)工作。”

在這個(gè)領(lǐng)域，國內(nèi)與國際幾乎同步啟動(dòng)布局。2020年以來，植物高效碳匯重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院）從兩條路線發(fā)力，探索增強(qiáng)碳匯的可行方案。一撥科研人員通過提升植物地上部分光合作用的能力，讓更多二氧化碳以木質(zhì)素等形式存儲在植物莖中。另一撥科研人員則關(guān)注地下部分，利用土壤微生物，讓植物根系“借力”生長得更好，減緩根系生物質(zhì)的降解速率或讓其更快轉(zhuǎn)化成土壤碳庫的一部分。

“通過促進(jìn)根系與微生物互作，可顯著促進(jìn)土壤有機(jī)碳的固定并提升其穩(wěn)定性。”周峰表示，這項(xiàng)研究為發(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。一方面，有益微生物的定植能夠優(yōu)化植物根系生長，增加根系分泌物及植物殘?bào)w輸入，為土壤有機(jī)碳庫提供重要來源；另一方面，微生物代謝活動(dòng)可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，有效減緩有機(jī)碳分解，延長碳在土壤中的滯留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳的固存與循環(huán)平衡。

“植物高效碳匯重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院）開展的工作是超前的，未來隨著這些研究逐漸落地應(yīng)用，將對全球生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生積極作用。”韓斌說，“分子植物卓越中心也在持續(xù)搭建平臺，給科研人員創(chuàng)造潛心致研的環(huán)境，鼓勵(lì)他們以國家需求為導(dǎo)向，產(chǎn)出原創(chuàng)性重要成果。”

相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1126/science.adu4235

（原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2025-10-14 第1版 要聞）