十余年追问“促根”机理，他们解开木霉与植物的共生密码

  【科研论文科普解读】

  在农业生产中，木霉菌是应用广泛的有益真菌。农民和农业企业早已发现，施用木霉后，作物根系往往更发达，植株长得更壮实，对干旱、盐碱等逆境的抵抗力也有所增强。然而，在这些直观的田间效果背后，一个基础科学问题始终悬而未决：木霉究竟是如何“说服”植物把根长好的？

  近日，南京农业大学资源与环境科学学院沈其荣院士团队在国际顶级期刊《Cell》上发表的研究论文，为这个问题给出了一个颇为完整的答案。研究首次阐明，木霉分泌的一种蛋白能够精准识别并激活植物细胞膜上的特定生长素转运蛋白，从而系统性促进植物根系发育。这项发现为微生物肥料和作物育种开辟了新的分子靶点。

  从“为什么”出发，一个长达十余年的追问

  这项研究的起点，源于团队带头人沈其荣院士向青年学者刘东阳提出的一个问题。彼时，团队开发的哈茨木霉生物有机肥已在田间取得可观效益，但沈院士希望团队能把田间效果“说出个道理来”，从机理层面破解木霉促根的本质。

  2012年，刘东阳博士毕业加入团队，研究方向从牛粪堆肥转向木霉分子机制。当时他分子生物学基础薄弱，基因编辑等技术手段也缺乏积累。从搭建全套技术体系到跑通技术平台，他用了将近8年时间。

  这8年并非一帆风顺。刘东阳将那段日子形容为身处“漏斗”底部——顶部和侧壁的压力同时涌来。顶部是学科交叉与方法论的不确定性，侧壁则是团队中其他方向成果陆续涌现，而自己的小组仍在进行漫长的基础建设。学生们一度迷茫：投入这么多时间搭建的平台，究竟价值何在？

  但刘东阳选择坚持。他相信，正是“漏斗”底部的压力让根基更紧实，也让团队更有韧性。

  锁定关键蛋白，既能“敲门”，又能“传信”

  研究团队聚焦于哈茨木霉分泌的一种名为“类膨胀蛋白”（ThSWO）的分子。此前已有研究发现，类膨胀蛋白能够改变植物细胞壁结构，帮助真菌在根表附着和定殖。但它是否仅有“破壁”功能，还是能进一步抵达细胞表面、直接参与调控植物的生长发育？这正是团队要回答的问题。

膨胀蛋白ThSWO穿过植物细胞壁过程

  团队通过基因敲除、回补和外源蛋白施加三组对照实验，验证了类膨胀蛋白的核心功能，缺失类膨胀蛋白的木霉突变体，根系定殖能力大幅下降，无法激活植物内源生长素信号；而回补该基因后，促生表型得以恢复。更关键的证据是，将纯化的类膨胀蛋白直接施加于拟南芥幼苗，无需木霉菌体参与，就足以独立诱导根系发育变化。

  这意味着，类膨胀蛋白本身就是一个携带“促生指令”的信号分子。

  随后，团队借助免疫共沉淀-质谱、双分子荧光互补等蛋白互作技术，锁定了类膨胀蛋白在植物细胞膜上的“接收器”——一个名为AtABCB5的转运蛋白。值得注意的是，AtABCB5所属的转运蛋白家族，此前由于活性较弱、功能不突出，并未获得学界太多关注。但团队发现，正是这个看似“边缘”的靶点，在类膨胀蛋白结合后发生了关键变化。

  激活一个长期被忽视的转运蛋白

  进一步的实验表明，类膨胀蛋白与AtABCB5结合后，会促进AtABCB5特定区域的磷酸化修饰。这种修饰好比一个“开关”，显著增强了AtABCB5向外转运生长素（IAA）的能力。借助异源细胞和植物原生质体转运实验，团队首次证实AtABCB5能够介导生长素外排，而类膨胀蛋白的作用正是进一步增强这一活性。

  随着生长素在特定区域的外排增强，植物根系表现出细胞壁酸化、膜电位动态变化等一系列生长素相关的生理响应。最终结果是，侧根原基起始数量增加，根伸长区扩大，根系整体发育得到显著促进。

  团队还通过扫描电镜、原子力显微镜和免疫电镜等技术，获得了类膨胀蛋白穿过细胞壁、抵达质膜区域的多层次影像证据，完整呈现了这一蛋白从真菌分泌到植物靶点发挥作用的“旅程”。

  从拟南芥到水稻、玉米、小麦，增产数据令人信服

  为了评估类膨胀蛋白的实际应用潜力，团队在水稻和多种作物上开展了验证。结果显示，水稻异源表达类膨胀蛋白后，籽粒产量提升41.3%；使用类膨胀蛋白灌根或喷施后，玉米、小麦、青菜、萝卜的产量分别提升7.9%、6.7%、13.5%和35.2%。

  这些数据不仅验证了机制的普适性，也为后续生物制剂开发提供了直接依据。

  回顾这项研究的历程，有几个细节值得关注。

刘东阳带领学生进行田间试验

  第一作者陆佳馨博士，当年通过补录进入沈其荣院士团队。博士前两年，研究进展缓慢，她一度萌生退意。进入刘东阳课题组后，她围绕木霉-植物互作重新起步。课题推进八九成时，毕业季已经临近，但为了把关键证据链做扎实，她选择延期毕业，继续留在实验室完成未闭合的问题。

  陆佳馨记得刘东阳常说：“科研的创造力需要留白。”在实验之外审视结果、修正假设、形成新思路，是研究不断深入的重要动力。

  而刘东阳也一直在践行沈其荣院士的那句话——“科研一定要到田里去。”他上半年的多数时间都在田间观察作物性状、寻找差异、判断问题。在他看来，田间不仅是检验效果的终点，也是发现新命题的起点。

  这项研究首次提出了“有益真菌效应蛋白-植物ABC转运蛋白”互作调控模型。与过往聚焦微生物代谢小分子的研究思路不同，该工作把重心放在真菌分泌蛋白与宿主膜转运机器的直接互作上，拓展了根际菌植互作的研究维度。

  “研究不仅夯实了生物有机肥、微生物菌剂开发的分子理论基础，也为作物根系改良、高产育种提供全新基因靶点，助力我国农业绿色可持续发展与粮食安全保障”，刘东阳说：“窗户打开之后，想做的和能做的都更多了，期待下一个十年。”

　　作者：宋雅娟

　　科学审核：沈其荣（中国工程院院士、南京农业大学教授）