当期封面。分子植物卓越中心供图

“这张照片感觉不够好啊。”

中国科学院分子植物科学卓越创新中心（以下简称分子植物卓越中心）研究员周峰看到学生唐元杰拍的显微照片时，直截了当地说。

过去5年间，周峰团队和瑞士洛桑大学教授尼科·盖尔德纳团队合作，致力于摸清土壤中植物根系和微生物之间互动的门道。侧根发生位置对微生物的吸引作用是其中一个重要结论，而唐元杰拍的显微照片中侧根部位细胞轮廓并不清晰。

不过，周峰很快有了不同看法。回家后，他把图片给孩子看，上幼儿园的女儿说“爸爸，这像一个发炎的膝盖”，上小学的儿子说“老爸，这像是一个正在从周围吸收物质的黑洞”。周峰这才意识到，这张不够完美的图片，反而能给人更多想象空间。

抱着试试看的想法，他们把这张照片投给了《科学》编辑部。一周后，这张照片被选作期刊封面。近日，相关研究以封面论文形式在《科学》正式发表。

“根和土的界面研究长期处于‘黑箱状态’。周峰团队首次利用可视化技术手段，从微观细胞水平精准绘制了微生物在根系上的‘定居地图’，证实了谷氨酰胺作为营养与信号分子调控微生物在根部的定植。”中国工程院院士万建民评价，“这项研究为设计安全绿色肥料、提高作物营养吸收效率和抗病能力、助力绿色农业发展提供了新方案。”

“没想到”：解码“黑箱”问题

2018年，在盖尔德纳课题组从事博士后研究期间，周峰偶然发现，把植物放在水培体系中，能清晰观察到微生物在根系的分布情况。由于当时忙于解析植物根系局部免疫的“细胞损伤门控”机制，周峰把这个发现暂时放下了。2020年，周峰回国加入分子植物卓越中心组建实验室后，第一时间重启了这个课题。

唐元杰是周峰的第一届博士生。“我们需要用显微镜观察植物表型，但我刚来时照片拍得并不好，在周老师耐心指导下才逐步掌握了操作要领。”唐元杰说。

熟能生巧后，他们结合荧光标记的活体微生物和高分辨率显微成像技术拍摄了几千张照片，并逐步绘制出微生物在根系表面的“定居地图”。

整个研究过程像是一个层层递进的“寻宝游戏”。他们先是通过实验验证了周峰2018年的偶然发现。微生物在根系表面的“定居”呈现有规律的空间分布，而这种“定居”格局与凯氏带的完整性密切相关。“凯氏带是根系内部的一道特殊屏障，犹如双向守门员，既阻止外来有害物质进入植物体内，也防止植物体内的营养成分向外泄漏。”周峰说。

当凯氏带出现缺口时，屏障被打破，营养物质通过缺口泄漏。而微生物基因中刻着“趋化作用”，即能够感知环境中的营养物质，并朝着“喜欢”的方向移动。

那么，吸引微生物聚集的信号分子是什么？周峰等人起初推测是糖，这是植物光合作用的产物，也是能量的直接来源。实验结果却让他们直呼“没想到”，质谱分析结果显示，根系内部泄漏的物质中约70%是氨基酸，糖类物质几乎检测不到。

“学术界一般认为，植物通过糖类、脂肪酸或有机酸调控微生物定植，氨基酸起到的作用非常有限。”唐元杰说，“我们开始不敢断言是氨基酸，反复优化实验体系，经过长达一年多的重复才敢最终确定。”

无疑，研究团队发现了一个新的植物信号分子调控微生物的定植。但他们并未满足于此，而是经过抽丝剥茧，结合多种实验手段，确定了谷氨酰胺是调控微生物的趋化、繁殖等行为活动的主要氨基酸，最终顺利破译了控制根系与微生物互动的“分子密码”。

在凯氏带屏障尚未完全形成时或出现局部破损（侧根生长处）的区域，谷氨酰胺局部泄漏，释放出“信号弹”，吸引微生物趋向于此，进而在根系表面形成有规律的“聚居区”。当然，如果微生物丧失了感知氨基酸的“嗅觉”，则会“迷失方向”，无法准确找到“定居点”。

值得一提的是，当有益微生物在根系局部大量“定居”时，能够显著促进根系的生长发育和养分吸收；病原微生物大量繁殖则会严重危害根系，甚至影响植株整体健康。此时，凯氏带起到了“智能闸门”作用，通过稳定根系内部的营养物质，欢迎有益微生物“入住”，维持根际微生物群的健康平衡。

“这是一个在植物中广泛存在的现象，我们在水稻、百脉根、苜蓿等的根系中发现了同样的定植模式。”周峰补充道。

“很愉快”：组建“跨国课题组”

“这项突破性发现离不开中瑞两国实验室的紧密协作，也依赖于团队成员之间的信任，以及行政与政策层面的支持。”盖尔德纳专门录制了祝贺视频，强调国际合作对推动科学突破、人类进步有重要意义。

周峰对此深表赞同：“我们有着共同的科学目标，一开始就没有纠结贡献、署名顺序等问题。虽然是两个团队，但开展这项工作时更像是一个跨国课题组，整个过程非常愉快。”

两个团队充分利用自身优势和资源，保持了长达5年高效且密切的合作。其中，周峰团队负责根系分泌物化合物鉴定和植物表型部分的工作，盖尔德纳团队则着重开展构建细菌突变体等微生物相关的工作。但更多时候，很难量化描述两个团队分别做了什么。每次召开线上会议时，团队成员都十分专注，讨论非常激烈，意见相左的时候不在少数。正是在一次次思维碰撞中，瓶颈问题被一一解决。

分子植物卓越中心和洛桑大学也给予了科学家足够的信任。“它们提供了科研所需的各类资源，同时不要求科学家在短期内展示‘可预测的进展’。”盖尔德纳表示。

“这是国际合作的典范，两个团队强强联合、真诚合作，为后续中国科学家与国际学者合作提供了很好的样板。”中国科学院院士、分子植物卓越中心主任韩斌说，“我们也在思考，如何在国际合作方面更好布局，让我们的前沿技术惠及更多国家。”

“在路上”：发展“固碳增汇”型绿色农业

在过去十几年间，周峰每隔一段时间就会取得一个重要成果。博士期间，周峰师从万建民，凭借“阐明独脚金内酯调控水稻分蘖和株型的信号途径”获2014年度中国科学十大进展；博士后期间的工作则使他成为植物学领域首位获本源公益“青年PI助研金”的科学家。

回国后，周峰依然“在路上”，关注植物根系免疫及与根际微生物互作这一问题。此次发表的研究是周峰的阶段性工作成果，也是植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）科研进展的关键一环。

分子植物卓越中心研究员、植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）主任王佳伟介绍：“目前全球科学家都在试图通过改造植物，提高土壤碳汇、减少空气中二氧化碳。包括诺贝尔化学奖获得者珍妮弗·道德纳在内的科研团队，都在开展相关工作。”

在这个领域，国内与国际几乎同步启动布局。2020年以来，植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）从两条路线发力，探索增强碳汇的可行方案。一拨科研人员通过提升植物地上部分光合作用的能力，让更多二氧化碳以木质素等形式存储在植物茎中。另一拨科研人员则关注地下部分，利用土壤微生物，让植物根系“借力”生长得更好，减缓根系生物质的降解速率或让其更快转化成土壤碳库的一部分。

“通过促进根系与微生物互作，可显著促进土壤有机碳的固定并提升其稳定性。”周峰表示，这项研究为发展“固碳增汇”型绿色农业提供了理论依据和技术途径。一方面，有益微生物的定植能够优化植物根系生长，增加根系分泌物及植物残体输入，为土壤有机碳库提供重要来源；另一方面，微生物代谢活动可以促进土壤团聚体形成，有效减缓有机碳分解，延长碳在土壤中的滞留时间，实现农业生态系统碳的固存与循环平衡。

“植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）开展的工作是超前的，未来随着这些研究逐渐落地应用，将对全球生态环境产生积极作用。”韩斌说，“分子植物卓越中心也在持续搭建平台，给科研人员创造潜心致研的环境，鼓励他们以国家需求为导向，产出原创性重要成果。”

相关论文信息：http://doi.org/10.1126/science.adu4235

（原载于《中国科学报》 2025-10-14 第1版 要闻）