这是科学家一直努力想要破解的“地下谜题”。
从“根深叶茂”到“本固枝荣”，道出了根系是植物的“基石”和“大脑”。然而，由于身处黑暗土壤中，根系与微生物“隐秘的互动”，长期以来难以直接观测。
10月3日凌晨，中国科学院分子植物科学卓越创新中心周峰团队，联合瑞士洛桑大学科研人员，在国际权威学术期刊《科学》发表封面论文，首次精准揭示根系如何引导微生物在其表面“安家”，绘制出一幅“定居地图”，在微观尺度破译了根系与微生物互动的“分子密码”。
【根系定点发出“信号弹”】
2018年春天，周峰用固体培养基做了一个实验，来观察微生物吸附在根系上的特征。但由于细菌在固体培养基无法很快移动，当时他突发奇想——能否换成液体培养基？后来，在液体培养基下，他观察到细菌可以快速向根系聚集，且表现出空间分布差异。
周峰在介绍科学发现过程。黄海华 摄
一直以来，有关植物根系的研究大多集中在宏观水平。研究团队结合荧光标记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。这种格局与根系内部的一道特殊屏障——凯氏带密切相关。
“凯氏带就像一个有保护作用的水桶型栅栏，可以阻止根系内外物质的运输。”周峰告诉解放日报记者，当侧根从主根生长出时，凯氏带屏障会出现“缺口”，导致根系内部营养物质向外泄漏。
“一开始我们猜测泄露的营养物质是糖，因为微生物特别喜欢糖。但令人震惊的是，竟然是氨基酸，而且其中80%都是谷氨酰胺。”周峰说。
这如同根系定点发出的“信号弹”。微生物能感知环境中的营养物质，并朝着自己“喜欢”的方向移动。当微生物识别到这些信号后，会自发趋向于此，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能力，则容易“迷失方向”，无法准确找到“定居点”。因此，根据这些“聚居区”位置，研究人员准确绘制出根系微生物的“定居地图”。
【为微生物肥料提供新靶点】
微生物“定居”得越多，根系是否越健康？
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。研究显示，有益微生物即使大量“定居”，也不会损害根系，还能显著促进根系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健康。
中国工程院院士、中国农业科学院学术委员会主任万建民认为，该研究为农业可持续发展提供了全新思路，未来或可通过设计氨基酸类微生物肥料，精准引导有益菌群吸附在根系，显著提高作物养分吸收效率和抗逆能力。
尤为重要的是，该策略对增强土壤碳汇具有重要意义。一方面，有益于微生物优化根系生长，为土壤有机碳库提供重要来源；另一方面，微生物代谢活动有效减缓有机碳分解，延长了碳在土壤中的滞留时间，实现土壤碳的固存与循环平衡。
周峰（后排左三）研究团队。
【“非常偶然”的封面图片】
论文通讯作者周峰刚过不惑之年，博士期间的研究曾荣获2014年度中国科学十大进展，最近又获得2025年度“本源公益-青年PI助研金”生命科学奖，是该奖项在植物学领域的首位获奖者。
谈及此次《科学》封面论文的由来，他表示“非常偶然”。
此次研究成为《科学》封面论文。
“起初，我对这张图片并不是非常满意。5年来我们至少拍摄了几千张图片，而在这张图片中，刚伸出的侧根看上去黑咕隆咚的，细胞轮廓不太清晰。但我回家问两个孩子的建议时，上幼儿园的女儿说这像是膝盖发炎了，上小学的儿子说像是黑洞在吞噬周围光线，这给了我很大触动，原来每个人看这张图片的感觉如此不一样。”周峰说。
他们当时拿这张图片去投封面论文时，也只是抱着试一试的心态，但没想到《科学》杂志的编辑们觉得这张图片非常有视觉冲击力，最终把它作为了封面图片。“如今，我再看这张图片，发现确实挺漂亮的。”
原标题：《揭开“隐秘的地下互动”，中瑞科学家绘制根系微生物“定居地图”》
图片来源：除署名图片，其余由受访者提供
来源：作者：解放日报 黄海华