Science封面 | 师从万建民院士！中科院周峰团队突破性发现植物根系分泌物如何引导微生物在根部的空间定植？
2025-10-14
中科新生命
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类似于动物的肠道上皮组织，根内皮层作为一种选择性的细胞屏障，会限制矿物质营养物质流入根的中央维管组织，同时防止糖类、有机酸、氨基酸等富含能量的光合产物从组织泄漏到土壤中。尽管目前研究已发现植物根系分泌物是细菌定植的中心，但根系分泌物如何驱动微生物的空间定植仍不清晰。
跟大家分享一篇今年10月3日，由中国科学院分子植物科学卓越创新中心周峰团队与瑞士洛桑大学Niko Geldner团队联合发表在Science上的封面论文“Localized glutamine leakage drives the spatial structure of root microbial colonization”。创新性提出拟南芥根部凯氏带的损伤会分泌以谷氨酸为主的代谢物招募土壤中细菌在根部的局部空间定植。接下来看看这篇文章的详细介绍吧~
研究背景
先前研究表明，凯氏带（Casparian strip）结构损伤会影响植物招募微生物并改变根际微生物群落的组成，但其背后的机制尚不清楚。作者发现，细菌的定植模式往往出现在内皮层屏障缺失或受损的部位，提出假设：内皮层泄露的有机物可能是招募微生物空间差异性定植的关键信号。
研究结果
1. 完整的凯氏带结构可限制细菌在拟南芥根部定植
作者开发一种“小型水培”系统观察微生物在拟南芥根部空间位置的分布，被绿色荧光蛋白（CHA0-gfp2）标记的假单胞菌-CHA0菌株在野生型拟南芥根中存在明显的定植空间格局：主要在分生组织和过渡区、凯氏带尚未形成，内皮层屏障尚未封闭区、侧根出芽点（内皮层屏障被暂时撕裂），而在凯氏带（CS）形成后，分化区根段几乎无菌（图1A，B）。
存在CS缺陷的sgn3 myb36双突变体拟南芥从早期分化区开始增强CHA0的定植，随后进一步定植在整条根中（图1E）。激光消融实验证实内皮层的消融损伤会导致细菌在损伤部位迅速且大量的聚集（图1F）。整体结果表明：sgn3 myb36突变体中所观察到的细菌定植异常，是由于内皮层屏障破坏后化合物和营养物质泄露所导致的直接后果，且增强的定植现象并非局限于某一特定菌株，而是广泛适用于多种细菌类群。
图1 完整的凯氏带（CS）结构可限制细菌在拟南芥根部定植
注：绿色为GFP标记的细菌（CHA0-gfp2）；洋红色为PI染色，显示细胞壁和CS屏障形成位置
2. 内皮层渗漏是驱动根际细菌趋化性的核心机制
将野生型与sgn3 myb36根并排摆放，在加菌后的最初几分钟内即可观察到CHA0明显围绕sgn3 myb36根聚集，该时长远小于细菌倍增时间（图2A,B）。
进一步构建“能运动但无法响应趋化信号”的突变体细菌（ΔcheA1），发现相比于CHA0菌株，ΔcheA1菌株在野生型拟南芥根部的定植量明显降低（图2C,D）。ΔcheA1与鞭毛缺陷突变体菌株均未在侧根穿出位点处出现聚集（图2E），也无法在激光消融造成的内皮层损伤位点优先富集。整体结果表明：内皮层屏障的缺失或破损为细菌提供了强烈的趋化信号，引导其初始定植方向。
图2 内皮层结构缺陷产生的分泌物促进了细菌趋化运动
注：CHA0-gfp2（正常假单胞菌）、ΔfleQ-gfp2（无运动能力突变株）、ΔfliC-gfp2（无运动能力突变株）、ΔcheA1-gfp2（无趋化能力突变株）
3. 细菌在内皮层屏障受损部位的增值速度更快是细菌富集的另一因素
作者发现sgn3 myb36根部的细菌数量显著高于野生型（图3A,B），猜测如果可溶性的小分子化合物正在通过内皮层渗漏，则sgn3 myb36突变体根系分泌物的作用应该是可转移的。
使用野生型和sgn3 myb36突变体幼苗根系对水培培养基进行3天“条件化处理”，随后将野生型幼苗转移至处理后的培养基中，并接种CHA0细菌。发现经sgn3 myb36分泌物处理过的培养基中，野生型根系上存在更显著的细菌定植增强现象（图3C~E），但该现象随定植时间延长存在“定植脱落”。同时，在没有根系存在的情况下，细菌在sgn3 myb36分泌物中的增殖也明显增强（图3F）。整体结果表明：从sgn3 myb36根中渗漏的化合物可以被收集并转移，在根、惰性表面或液体培养基上均能增强细菌的增殖。
图3 由内皮层屏障受损来源的根分泌物可促进细菌在根表面的增值
4. 氨基酸渗漏到根际导致细菌定植增强
为寻找sgn3 myb36株系诱导细菌定植和增殖的分子，采用非靶向和靶向代谢组发现，内皮层屏障损伤株系的分泌物中氨基酸及其相关代谢物的含量显著高于野生型（图4A）。绝对浓度看，谷氨酰胺占主导地位，占总氨基酸量的80%以上。过表达氨基酸外排转运蛋白可重现类似的sgn3 myb36根中细菌“过度定植”现象，但与sgn3 myb36导致的细胞壁缝隙“过度定植”部位不同，转运蛋白过表达株系中的氨基酸是从表皮表面主动分泌，对细胞壁缝隙的定植偏好性较低。
比较细菌在野生型、sgn3 myb36根系分泌物、谷氨酰胺处理下的转录响应。发现sgn3 myb36分泌物和单纯谷氨酰胺处理均会上调细菌中氨基酸转运相关基因表达（图4G,H）。相关基因缺失突变会导致细菌定植能力下降。整体结果表明：谷氨酰胺的存在是决定细菌对sgn3 myb36分泌物响应及其在突变体根系上过度增殖的关键因素。
图4 谷氨酸泄露可驱动并增强细菌定植
5. 氨基酸渗漏驱动细菌对侧根穿出部位的趋化吸引并使细菌存在不同的代谢状态
由于观察到侧根部位也存在细菌高度定植现象，作者通过增加侧根数量、构建CHA0菌株中的氨基酸趋化受体缺失菌株、构建谷氨酰胺诱导型菌株（仅在谷氨酰胺富集区激活），结合生理观测发现：
（1）侧根数量增加可使根分泌物中谷氨酰胺及其它氨基酸浓度同步上升（图5B,C），细菌总定量值增加（图5D）；
（2）氨基酸趋化受体缺陷菌株在野生型侧根穿出部位（LRE）和sgn3 myb36分化区中的定植数量相似（图5F~H）；
（3）谷氨酰胺诱导型菌株在LRE周围10–50μm范围内显著升高，而远离该部位迅速下降（图5I）。
整体结果表明：侧根穿出部位因内皮层短暂破损导致谷氨酰胺等局部渗漏，是细菌感知并定位到屏障破损位点的主要因素。细菌因局部氨基酸浓度差异而进入不同代谢状态，从而塑造根际微生物群落的空间与功能格局（图5I）。
图5 侧根萌发时造成的局部内皮层破坏会瞬时漏出氨基酸吸引细菌趋化聚集
6. 内皮层依赖性营养限制促进平衡且有益的微生物定植
比较接种CHA0后野生型与sgn3 myb36根的转录组，探究长期氨基酸渗漏及细菌过度定植对植物的生理后果。发现sgn3 myb36根的免疫相关基因上调幅度更大（图6A,B）。菌群回补实验发现sgn3 myb36根的总细菌载量显著高于野生型（图6C）。虽然共生菌对突变体具有促进作用（图6D–F），但当接种机会病原菌时，sgn3 myb36的生长显著受抑，表现出更高的敏感性（图6E,F）。
整体结果表明：内皮层屏障通过限制营养泄漏，抑制了致病菌的过度增殖，维持微生物群落的平衡与有益性。
图6 内皮层屏障对于限制根部免疫反应和提升植物适应性至关重要
总结及文章创新点
目前公认的根系分泌物途径包括：
（1）经膜转运蛋白控制的低分子量化合物分泌；
（2）根冠细胞脱落带来的胞内成分整体释放。本研究提出第三条途径：瞬时的内皮层渗漏。即：维管束质外体中的低分子量代谢物通过屏障缺口进入根际，其中在氮同化中具有核心地位的谷氨酰胺占有绝对优势，可招募对谷氨酰胺代谢能力更强的菌株在根部缺口优先定植。该过程可将为基于微生物组的作物育种或管理提供新策略，以增强抗逆性与生产力。
图7 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
研究展望
本文以拟南芥为模型，但“内皮层瞬时营养渗漏”概念提示各位研究者应广泛探索其它作物是否存在类似的谷氨酰胺或其它运输氨基酸渗漏。若非谷氨酰胺，则可能是其它运输型氨基酸，普遍存在于植物木质部汁液中，其组分随发育阶段、环境及胁迫条件而变化，从而影响根际微生物群落组成。
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关于中科新生命
上海中科新生命生物科技有限公司（APTBIO）创立于 2004 年，由原中国科学院上海生命科学研究院蛋白质组研究中心孵化而来，是国内质谱多组学应用领域的开拓者。公司以 “AI + 质谱多组学” 双核驱动创新，构建智能化组学生态。拥有自主知识产权的质谱检测平台与 AI 大数据分析系统，聚焦科技服务、生物医药及大健康消费三大领域，为全球科研机构、医院、药企提供从基础研究到临床转化的一站式解决方案。融合多组学技术与人工智能，围绕生物标志物发掘、药物靶点筛选及个性化诊疗等方向，构建具有国际竞争力的组学数据库与算法模型，推动转化医学进程，加速创新药物研发，成为推动生命科学数字化升级的核心引领者。
