中国科学院最新论文，登上Science封面

土壤中的细菌形成复杂的群落，有些会定殖在植物根系表面。然而，这些细菌并非均匀分布，而是会在新长出的侧根周围以及早期根系分化区域呈现出精确的分布模式。

封面图：共聚焦显微镜图像显示，定殖于植物根际细菌聚集在新长出的侧根周围，局部谷氨酰胺的泄漏诱导了空间受限的报告基因活性。该图像展示了谷氨酰胺诱导型生物传感器的灵敏度，能够揭示距离小至 10 微米的细菌代谢状态差异。这突显了营养物质可用性的空间异质性对植物根际微生物定殖模式的影响。

植物有选择性地招募土壤中的细菌对于形成高度专业化的根际微生物群落至关重要。根际细菌群落影响根系发育和植物健康，并赋予植物抵御一系列生物和非生物胁迫的能力。植物通过释放根系分泌物来塑造其微生物群落，根系分泌物是一种复杂的有机化合物混合物。尽管科学家们已经认识到分泌物对于细菌定殖至关重要，但对于它们如何、何时以及在何处释放，尤其是在与细菌相关的空间尺度上，仍知之甚少。与动物的肠道上皮细胞类似，植物的根内皮层发挥着选择性细胞屏障的作用，限制矿物质养分自由流入根系的中央维管组织。相反，内皮层屏障对于防止糖类、有机酸、氨基酸和其他富含能量的光合产物从这些组织泄漏到缺乏此类化合物的土壤环境中也应至关重要。

凯氏带（Casparian strip）完整性的扰动已被证实会影响植物对微生物的招募和群落组成，但其机制基础尚未阐明。在这项最新研究中，研究团队观察到，细菌定殖模式与内皮层屏障缺失或受损相吻合，研究团队推测内皮层屏障的短暂有机化合物泄漏可能会驱动植物根系对细菌的吸引以及细菌的进一步定殖。研究团队尝试进一步寻找在内皮层屏障突变体的根系分泌物中增加的化合物。

研究团队发现，突变体的根系分泌物中氨基酸含量显著增加，主要是谷氨酰胺，这与谷氨酰胺作为氮素向植物地上部分运输的中间体的作用相符。通过结合植物和共生模式菌株 Pseudomonas protegens CHA0 的基因操作和报告基因，研究团队证明，细菌对谷氨酰胺表现出强烈的趋化性，并且这种氨基酸是细菌寻找并定殖于根系表面谷氨酰胺泄漏精确部位的主要线索。此外，研究团队还证明，细菌能够代谢适应这种富含谷氨酰胺的微环境，并将谷氨酰胺用作碳源，从而促进其增殖。研究团队发现，在复杂的合成群落中，细菌丰度对长期内皮层泄漏的响应变化，部分可由细菌利用谷氨酰胺作为碳源的能力来解释。

总的来说，这项研究证明，植物维管组织中短暂的谷氨酰胺泄漏是驱动细菌定殖的重要因素。这一发现引入了“短暂代谢物泄漏”的新概念，为目前已知的化合物跨细胞膜受控渗出途径和根冠细胞脱落导致细胞成分大量释放这两种机制提供了补充。短暂的内皮层泄漏代表着第三种途径——以几乎无选择性的方式，从维管组织细胞外空间释放低分子量代谢物。这些研究结果揭示了根系与微生物之间的动态相互作用：通过提供短暂存在且空间受限的代谢生态位，为微生物群落的“播种”创造了条件。该研究强调了需要在与细菌群落相关的空间尺度上进行观察和操作，因为对宝贵代谢物的竞争与合作通常发生在低微米级别范围内。通过将植物发育生物学与高分辨率微生物定殖研究相结合，该研究阐明了局部渗出物泄漏在复杂且快速发育的根系表面界面塑造微生物群落构建中的关键作用。