物理分离：该系统在一个培养皿中，用一层半透膜将植物和微生物物理隔开（防止直接接触），但允许小于14kDa的根系分泌物、代谢物和信号分子自由通过。目的：传统方法很难区分“物理接触”和“化学信号”各自的作用。LEAP-CS 解决了这一难题，可以直接研究纯化学信号介导的相互作用。

Background

背景

（1）Chemical exchange between plants and their microbiome influence each other’s functioning, which ultimately determines agricultural productivity. 植物与其微生物组之间的化学交换影响着彼此的功能，最终决定了农业生产力。

（2）The diffusible nature of these chemicals allow communication from a distance and the chemical milieu at this interface is highly dynamic and complex due to the contribution from both the host plant and the microbiome.这些化学物质的可扩散特性使得远距离通讯成为可能，并且由于宿主植物和微生物组的共同贡献，这一界面的化学环境高度动态且复杂。

（3）However, current methods do not capture such dynamic chemical exchange where the host plant and the microbiome is physically separated. 然而，当前的方法无法捕捉宿主植物与微生物组在物理分离状态下的这种动态化学交换。

（4）The Live-Exudation Assisted Phytobiome Cultromics System (LEAP-CS) enables the co-cultivation of plants and microbes using a membrane-based setup that permits chemical exchange without direct physical contact. 活体分泌物辅助的植物微生物组培养组学系统（LEAP-CS）通过一种基于膜的装置，实现了植物与微生物的共培养，该装置允许化学交换而不发生直接的物理接触。

（5）This system captures root–microbiome interactions by harnessing exudates from both partners.该系统通过利用植物和微生物双方的分泌物，来捕捉根系-微生物组之间的相互作用。

（6）LEAP-CS supports a moderately complex microbial community (~ 146 ASVs) for co-cultivation with plants.LEAP-CS能够支持一个中等复杂程度的微生物群落（约146个ASV）与植物进行共培养。

（7）Using this system, plant growth assays with bulk and rhizospheric soil microbial communities revealed distinct differences in growth promotion compared to the no-microbiome control- with plants treated with the bulk soil microbiome exhibiting higher growth.使用该系统，用非根际土和根际土微生物群落进行的植物生长测定显示，与无微生物组的对照组相比，生长促进效果存在显著差异——其中用非根际土微生物组处理的植物表现出更高的生长量。

（8）Furthermore, exometabolomic analysis of plant root and microbial exudates, along with abundance profiling, suggested a potential source–sink transfer of specific metabolites and small peptides between plants and microbes, indicating their role as potential signaling molecules.此外，对植物根系分泌物和微生物分泌物进行的代谢组学分析，结合丰度谱分析，表明植物与微生物之间存在特定代谢物和小肽的潜在“源-汇”转移，这提示它们可能作为信号分子发挥作用。

（9）This novel in vitro plant growth assay system holds significant potential for investigating the chemical dialogue between plants and their microbiomes under various biotic and abiotic stress conditions.这种新型的植物生长体外测定系统，在研究各种生物和非生物胁迫条件下植物与其微生物组之间的化学对话方面具有巨大潜力。

（10）Additionally, the system can serve as a high-throughput platform for screening plant phenotypic traits, enabling the assessment of microbiome functionality and associated metabolic signatures. 此外，该系统还可作为筛选植物表型性状的高通量平台，能够评估微生物组的功能及相关代谢特征。

（11）These fundamental insights can subsequently be validated through greenhouse and field trials to support agricultural applications. 这些基础性的见解随后可以通过温室和田间试验进行验证，以支持农业应用。

这张图就是 LEAP-CS 系统的结构爆炸图，直观展示了这个“隔空共培养”装置是如何搭建的。它是一个垂直分层的三明治结构，从下到上一共六层，每层的功能非常清晰：⑥ Plate base（培养皿底）：最底层的物理支撑，就是个无菌的方形培养皿底部。⑤ Growth media（生长培养基）：浇在皿底的固体培养基，为植物生长提供基础营养。用的是特制的“土壤提取物培养基（SEM）”，能模仿自然环境。④ Microbiome layer（微生物层）：图中紫色颗粒状物质。这是涂布在培养基表面的微生物群落（如从根际土中提取的菌群）。③ Membrane（隔膜）：图中半透明层，也是核心部件。这是一层透析膜，铺在微生物层上面。它允许糖、氨基酸、信号分子等小分子代谢物自由通过，但能阻挡植物根系和微生物细胞直接接触。② Plants（植物）：图中绿色幼苗。发芽4天左右的无菌拟南芥幼苗，被放在膜的表面（图中右侧植株根部清晰地“搭”在膜上）。① Lid（培养皿盖）：最上方的盖子，合上后形成一个封闭的无菌环境。图中右侧的标注也点出了关键：Plants resting on the membrane / Media gel：植物根系只接触膜，不接触下面的培养基和微生物。Microbial community inoculum：微生物被完全限制在膜的下方。 简单理解：这张图清晰展示了LEAP-CS系统的两种分离：物理分离：植物（②）和微生物（④）被一张膜（③）彻底隔开，互相接触不到。化学连通：代谢物和信号分子可以自由穿过膜，实现“隔空对话”。

展示了 LEAP-CS 系统的完整操作流程和时间线，可以理解为一张“实验操作说明书”。它分为上下两部分：图 a：整个实验的时间线（共约 20 天）；图 b：四个关键步骤的详细操作图解。图 a：整体实验时间线。这是一个从第 1 天到第 23 天的时间轴，展示了实验的四个主要阶段： Microbiome preparation（微生物准备）：约 12 天 Seed preparation（种子准备）：约 7 天（与微生物准备并行）System assembly / Microbiome retrieval（系统组装 / 微生物回收）：1 。System assembly / LEAP-CS Assay set up（LEAP-CS 测定设置）：1 天。Sampling and data collection（采样与数据收集）：在实验结束后进行。注意：微生物准备和种子准备是同时进行的，总实验周期约 20 天。

图 b：四个关键步骤的详细图解

(i) Microbiome preparation（微生物准备）- 耗时 12 天 目的：从土壤中获得“非根际土微生物”和“根际土微生物”两种接种物。步骤：准备两个装有无菌土的花盆。一个花盆种上拟南芥种子（Planted），另一个不种（Non-planted）。放入培养箱（22°C，16小时光照）生长 12 天。12 天后：从不种植物的花盆中取土 → 非根际土微生物。从种植物的花盆中，取紧贴根部的土（摇掉松散土） → 根际土微生物

(ii) Seed preparation（种子准备）- 耗时 7 天，目的：获得 4 天大的无菌拟南芥幼苗。步骤：种子在水中浸泡 1 小时。表面消毒（用 bleach + Tween 20）。在 4°C 黑暗条件下春化处理 3 天（模拟冬季，促进发芽）。将种子播撒在 MS 培养基平板上。放入培养箱（22°C，16小时光照）生长 4 天。得到 4 天大的无菌幼苗（图中有幼苗特写）。

(iii) System assembly: Microbiome retrieval（系统组装：微生物回收）- 耗时 1 天 目的：从土样中提取微生物悬液。步骤：取 (i) 中准备好的非根际土和根际土。分别加入液体培养基，涡旋振荡，把微生物从土粒上洗脱下来。静置或过滤（去除大颗粒），得到微生物悬液，准备用于 LEAP-CS 接种。

(iv) System assembly: LEAP-CS Assay set up（LEAP-CS 测定设置）- 耗时 1 天，目的：将植物和微生物放入 LEAP-CS 系统，开始共培养。步骤：准备膜：将透析膜裁剪成合适大小，浸入无菌水，然后UV 照射 20 分钟/面进行灭菌。铺板：在方形培养皿中倒入土壤提取物培养基。覆膜：将灭菌的膜平铺在培养基上。接菌：用移液器吸取微生物悬液，涂布在膜的表面。种苗：用无菌镊子，将 (ii) 中获得的 4 天大的幼苗放在膜上（另一侧）。培养：将平板放入培养箱，垂直放置（图中平板是竖着的），培养 10 天以上【先在最底下接种土壤微生物-盖膜-接种植物】。监测：期间观察植物生长。底部有一张10 天后的植物生长照片，展示了与非根际土微生物（Bulk）、根际土微生物（Rhizo）和無微生物对照（No Microbe）共培养时，植物大小的差异。

（12） Result

（13） Co-culturing of plants and microbes using the LEAP-CS system reveals plant-growth differences based on microbiome type

图 a：15天后的植物外观对比；接种微生物的植物都比无菌对照长得好，而且非根际土微生物的促生效果最明显。 图 b：13天内的叶面积生长曲线；非根际土微生物（Bulk）与无微生物对照（NM）之间的差异具有极显著性（***P < 0.001）。

（14） Microbiome community analysis in the LEAP-CS system

展示了 LEAP-CS 系统的多组学采样策略以及微生物组的分析结果。实验可以同时采集根系分泌物（RM）、膜分泌物（MM）、微生物分泌物（MIM）和微生物群落DNA，实现代谢组+16S测序的联合分析。

（15） Tracing the flow of exudates across layers in the LEAP-CS co culture system

图 a：PLS-DA 图——不同区域的代谢物组成明显不同

这是非根际土微生物处理的偏最小二乘判别分析图：RM（根系分泌物）：绿色区域，与其他两组明显分离。MM（膜上分泌物）：蓝色区域，位于中间位置。MIM（微生物层分泌物）：红色区域，与其他两组明显分离。结论：三个不同来源的分泌物，其代谢物组成差异显著。膜上的代谢物（MM）位于中间位置，提示它可能是根系分泌物和微生物代谢物混合交换的结果。根际土微生物处理的PLS-DA结果在原文补充图中，趋势类似。图 b & c：VIP 得分图——哪些代谢物最“有区分度”展示了对区分三个区域贡献最大的代谢物及其相对丰度。含义：这些VIP得分>1的代谢物，是造成三个区域代谢组差异的主要“贡献者”，很可能是植物-微生物交流的关键信号分子。

图 f：示意图——代谢物的定向流动

这张示意图总结了 LEAP-CS 系统的核心设计理念和验证结果：

植物根系 → 根系分泌物（RM） → 透膜（MM） → 微生物层（MIM）

http://www.microbiomeai.cn/plot-tools/

 然而，当前的方法无法捕捉宿主植物与微生物组在物理分离状态下的这种动态化学交换。