《Plant and Soil》：Interactive effects of soil phosphorus and nitrogen availability on mycorrhiza-mediated nutrition in wheat
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本研究针对长期磷肥施用如何影响小麦丛枝菌根真菌（AMF）群落结构及其营养功能这一关键科学问题，通过长期定位试验与可控条件实验相结合，揭示了磷氮有效性互作调控AMF介导的小麦营养吸收新机制。研究发现高磷条件下AMF群落向漏斗形菌属（Funneliformis）富集，且菌根特异性营养转运蛋白（SymPT/SymAMT/SymNPF）表达受氮磷限制类型调控，为优化农业生态实践中菌根功能提供了分子生态学依据。
在现代农业生态系统中，化学肥料的广泛使用在提高作物产量的同时，也对土壤微生物群落产生了深远影响。其中，丛枝菌根真菌（AMF）作为与绝大多数陆地植物共生的有益微生物，在植物营养吸收、抗逆性提升和土壤健康维持方面发挥着不可替代的作用。然而，长期过量施用磷肥如何影响AMF群落结构及其营养功能，特别是与氮素有效性的交互作用机制，仍是当前研究的热点与难点。
以往研究表明，高磷环境通常会抑制AMF的根定殖水平，但对其群落组成变化和功能适应性的理解仍不够深入。更为复杂的是，土壤中磷氮养分的协同变化可能通过改变植物-真菌之间的碳-营养交换平衡，进一步影响菌根共生体的稳定性与功能表达。正是在这一背景下，研究人员选择在小麦这一重要粮食作物上，开展了一项系统性的长期研究。
本研究利用法国西南部一个持续50多年的磷肥定位试验场，结合田间调查与可控环境实验，深入探讨了长期不同磷肥施用水平（不施磷、低磷和高磷）对小麦根际AMF群落结构、菌根特异性营养转运蛋白基因表达以及菌根营养功能的影响。研究结果发表于植物土壤学领域权威期刊《Plant and Soil》。
关键技术方法
研究团队综合运用了多种现代生物学技术：通过ITS2代谢条形码技术分析根内AMF群落组成；利用RT-qPCR定量检测小麦菌根特异性营养转运蛋白基因（包括磷酸盐转运蛋白SymPT、铵转运蛋白SymAMT、硝酸盐转运蛋白SymNPF、质子泵SymATPase及定殖标记基因AM3）的表达水平；采用显微镜网格相交法测定菌根定殖率；并通过盆栽实验控制氮磷供应，研究营养互作对菌根功能的影响。田间样本来自长期试验的不同处理小区，可控实验则使用田间土壤或人工基质进行。
研究结果
丛枝菌根标记基因在可控条件下的验证
研究人员首先在可控条件下验证了所选菌根标记基因的特异性。结果表明，编码铵转运蛋白（SymAMT）、硝酸盐转运蛋白（SymNPF）、磷酸盐转运蛋白（SymPT）、质子泵（SymATPase）以及早期定殖标记基因（AM3）均只在接种了Rhizophagus irregularis的菌根化小麦根系中特异性表达，而在非菌根化对照中未检测到表达。
田间条件下营养转运蛋白表达与氮有效性关系
对长期磷肥试验田小麦根系的研究发现，磷肥对AM标记基因表达的影响存在年际差异。在2022年，随着磷肥用量的增加，AM标记基因的相对表达量呈下降趋势；然而在2019年并未观察到这一现象，相反，菌根铵转运蛋白（SymAMT）的表达随磷有效性增加而升高。进一步分析发现，两年间小麦根系的氮含量（%）存在显著差异，2022年的根氮含量是2019年的1.5倍，且2019年高磷处理下的根氮含量低于不施磷处理。这表明植物的氮营养状况可能在田间条件下调节着菌根介导的营养功能。
氮磷有效性对菌根互作的效应
为了验证氮磷互作对小麦菌根功能的影响，研究人员利用田间试验土壤进行了可控条件实验。结果表明，AMF定殖水平（通过AM3基因表达和显微镜观察评估）以及菌根介导的营养功能（通过菌根特异性营养转运蛋白/泵的表达评估）均对氮磷有效性的交互作用产生响应。在任一养分受限的条件下（如不施磷、不施磷+施氮、高磷），AMF定殖水平无显著差异；而在氮磷均充足的高磷+施氮处理中，AMF定殖受到抑制。有趣的是，SymNPF和SymATPase的表达仅在高磷且限氮条件下上调，而SymPT则在所有限磷处理中均上调。这说明小麦在养分受限条件下会增加对AMF的依赖，但氮磷转运蛋白的表达调控则取决于具体受限的大量营养元素类型。
长期磷肥对根际AMF群落的影响
对根际AMF群落的代谢条形码分析表明，长期磷肥施用影响了小麦根系相关AMF群落的组成和结构，但未影响其丰富度。在所有磷处理中，根系AMF群落均以Glomeraceae科的zOTUs为主。研究发现，随着长期磷肥用量的增加，Funneliformis属的zOTUs相对丰度呈现增加趋势，特别是在2022年，高磷处理下该属的相对丰度差异更为明显。α多样性分析显示，2022年高磷处理下的Gini-Simpson和Pielou均匀度指数均随磷有效性的增加而降低，群落优势度增高，表明高磷条件下群落由更少的zOTUs所主导。指示种分析进一步确认，多个属于Funneliformis属（主要是F. mosseae）的zOTUs是磷肥施用的指示物种。这些结果共同表明，长期磷肥投入导致了AMF群落结构发生显著变化，趋向于适应高磷环境的物种。
研究结论与意义
本研究通过整合AMF群落谱分析和菌根分子标记物，揭示了磷氮有效性共同塑造根系AMF群落并调控其在小麦中的营养功能。主要结论包括：首先，长期磷肥施用改变了小麦根际AMF群落结构，导致Funneliformis属物种在高磷条件下占优势。其次，菌根介导的营养功能受到氮磷有效性强弱互作的调控，菌根特异性营养转运蛋白的表达模式取决于植物的养分限制类型。最后，AM3标记基因的表达能可靠地指示AMF定殖水平，而营养转运蛋白的表达则更直接地反映菌根的瞬时营养功能状态。
这项研究的意义在于，它强调了在评估农业生态系统中菌根功能时，必须综合考虑氮磷等多种养分的协同效应，而非孤立看待单一养分的影响。研究所建立的结合群落分析和功能基因表达的研究方法，为在不同农业生态系统中理解和优化AMF对植物营养的贡献提供了有价值的框架，有助于制定更精准的施肥策略，以实现农业可持续发展。
结论与讨论
本研究的发现表明，磷和氮的有效性共同决定了小麦根系AMF群落的构建及其营养功能。在养分管理实践中，需要关注氮磷平衡，因为氮素状况会显著调制磷肥对菌根功能的影响。将AMF群落分析与菌根分子功能标记相结合的方法，能够更精准地揭示菌根共生体在植物营养吸收中的实际贡献，这对于优化农业措施、充分发挥菌根真菌的生态功能具有重要的指导意义。未来的研究可结合同位素示踪技术，将转运蛋白表达与菌根途径的实际养分吸收量直接关联，进一步深化对菌根营养功能的理解。
