“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。

过去五年间，周峰团队和瑞士洛桑大学教授尼科·盖尔德纳（Niko Geldner）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，而这幅显微照片中，侧根部位的细胞轮廓拍摄的并不十分清晰。

不过，周峰很快有了不同看法。回家后，他把图片给家里的孩子看了下，上幼儿园的女儿说“爸爸，这像是一个发炎的膝盖”，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的空间。

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，这张照片被选中作为封面，10月3日，该项研究以封面论文的形式正式上线。

文章封面图。

  ?

“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的技术手段，从微观细胞水平，精准绘制了微生物在根系上的‘定居地’，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的肥料、提高作用营养吸收效率和抗病能力，助力绿色农业发展提供了新的解决方案。”

“没想到”——解码“黑箱”问题

2018年，在盖尔德纳课题组做博后期间，周峰偶然间发现，把植物放在水培的体系中，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。

唐元杰正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，在在周老师的耐心指导下，才逐步掌握了操作要领。”唐元杰回忆道。

孰能生巧之后，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，也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在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露。”周峰解释道。

当凯氏带出现缺口时，屏障被打破，营养物质通过缺口从植物体内泄露出去。而微生物基因中刻着“趋化作用”——能够感知环境中的营养物质，并朝着自己“喜欢”的方向移动。

那么，吸引微生物聚集的信号分子是什么呢？他们起初推测是糖，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，根系内部泄露的物质中，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，氨基酸能够起到的作用非常有限。”唐元杰说道，“我们开始也不敢断言是氨基酸，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，谷氨酰胺局部泄露，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。

根系局部释放的谷氨酰胺调控根系微生物的空间定植模式。

  ?

“这是一个在植物中广泛存在的普遍现象，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和行政与政策层面的支持。”盖尔德纳专门录制了祝贺视频，强调科研人员国际合作，对推动科学突破、人类进步有着重要意义。

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。”

两个团队充利用自身的优势和资源，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，盖尔德纳的团队则着重于构建细菌突变体等微生物相关的工作。但更多时候，很难去量化描述两个团队分别做了什么。

每次召开线上会议时，团队成员神情都十分专注，讨论非常激烈，意见相左的时候也不在少数。正是在一次次思维碰撞中，新的思路不断涌现，课题进展中的瓶颈问题被一一攻克。

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。“他们提供了科研所需各类资源，同时并不要求科学家在短期内就要展示‘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打下了很好的样板。”中国科学院院士、分子植物卓越中心主任韩斌感叹，“我们也在思考，如何在国际合作方面进行更好地布局，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，周峰师从万建民院士，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，此次成果是他的阶段性工作，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。

周峰（二排右三）、唐元杰（二排右四）和实验室成员。图片均由分子植物卓越中心提供

  ?

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（Jennifer Doudna）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从两条路线发力，探索增强碳汇的可行方案。一拨科研人员正在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干中。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的转化成土壤碳库的一部分。

“通过促进根系与微生物互作，可显著提升土壤有机碳的固定与稳定性。”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非常积极的作用。”韩斌说道，“分子植物卓越中心也在持续搭平台，给科研人员创造潜心科研的环境，鼓励他们以国家需求为导向，出原创性重要成果。”

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