叶面施用腐殖酸作为一种自上而下的调控方法，用于改变水稻根际细菌群落并增强磷的释放能力

《Ecological Frontiers》：Foliar humic acid application as a top-down regulatory approach to modify rice rhizosphere bacterial communities and enhance phosphorus mobilization

水稻 foliar HA 应用显著提升生长与磷吸收，通过 shoot-to-root 信号调控根际微生物群落组装，增强无机磷溶解与有机磷矿化菌群丰度，证实 shoot-mediated 效应可作为从上到下的微生物调控策略。

　　

刘晓辉|孙蕾妮|王梦洁|姜子莫|王珊珊|陈帅民|罗冰冰|马超|孙瑞波

安徽省农田生态保护与养分利用重点实验室，安徽省绿色磷肥智能制造与高效利用工程技术研究中心，安徽农业大学资源与环境学院，合肥230036，中国

摘要

利用根际微生物群落的组成和功能被认为是提高植物养分利用效率的一种潜在方法。然而，由于根际环境的复杂性和微生物群落的多样性，直接操控根际微生物群落在实践中面临巨大挑战。本研究采用自上而下的方法，通过地上部分（茎部）的介导作用来调控根际微生物群落。通过叶面施用腐殖酸（HA），探讨其对水稻生长、磷（P）吸收、根际细菌群落组成及磷迁移的影响。结果表明，叶面施用腐殖酸显著促进了水稻生长和磷吸收。虽然腐殖酸处理对根际细菌多样性影响较小，但显著改变了群落结构，增加了能够溶解无机磷和矿化有机磷的细菌种类，并提升了微生物的磷迁移能力。βNTI分析进一步表明，细菌群落的组装过程主要由确定性因素主导。腐殖酸处理显著增强了确定性因素在根际细菌群落组装中的作用，说明该处理提高了水稻调节根际微生物群落的能力。这些结果表明，腐殖酸是一种有效的自上而下的调控方法，能够通过地上部分的作用改变细菌群落，从而提高水稻根际的磷利用效率，为通过地上措施调控根际微生物群落组成和功能提供了很好的例证。

引言

磷（P）是限制全球农业生产力的主要因素[[1], [2]]。传统农业依赖持续施用磷肥来克服这一限制。然而，大部分施用的磷会在土壤中固定，与钙、铁、铝等阳离子形成不溶性复合物，导致磷肥利用效率低下——通常只有10-15%的磷能在施用季节被作物吸收[[3]]。此外，作为磷肥主要成分的磷矿石大部分被用于磷肥生产，预计在未来50-100年内将被耗尽[[4]]。因此，提高农业土壤中的磷利用效率不仅是一个农学目标，也是迫切的可持续性要求。土壤微生物通过酸化、螯合和酶分泌等过程，将不可溶性磷转化为植物可利用的形式，提供了一种基于自然的解决方案[[5]]。植物可以通过改变根际微生物群落组成，促进参与磷溶解和矿化的细菌种类，从而释放土壤中难利用的磷[[6], [7], [8]]。这种由微生物介导的转化有效地绕过了固定磷的化学限制，使其能够被植物吸收。因此，利用根际微生物组是提高磷利用效率和实现可持续农业的关键策略。

随着对根际微生物在植物磷吸收中作用理解的深入，“靶向微生物组调控”或“根际工程”等策略正在被开发出来，以增强磷的迁移。一种常用的方法是将具有磷溶解能力的微生物（如Bacillus属和Pseudomonas属）引入植物根际[[9], [10]]。这种方法在受限的实验条件下显示出良好的效果[[11], [12], [13]]。然而，其在实际应用中的效果往往不稳定，受到微生物存活率低、本土微生物群的竞争抑制以及复杂土壤环境中生态韧性不足的影响。此外，根际环境对微生物群落具有选择性，使得外源添加的功能性微生物难以被植物招募、稳定存在并在其中发挥效益[[14]]。另一种方法是施用特定的外源物质来塑造根际微环境，从而富集有益微生物[[15], [16]]。鉴于根系分泌物对根际微生物群落的重要贡献，它们被认为是调控根际微生物群落及其功能的潜在调节因子[[17], [18]]。对根系分泌物与微生物相互作用理解的进步，已经鉴定出几种能够影响根际微生物群落结构和功能的特定分泌物。例如，黄酮类和香豆素类化合物的积累有利于花生根际自由生活固氮细菌的生长[[19]]。黄酮类化合物可以招募有益微生物，形成具有抗病性的微生物组[[20]]。这些发现为调控根际微生物群落提供了策略依据。然而，将这些知识转化为实际应用面临诸多挑战，如高成本、剂量效应以及土壤和作物的特异性问题。

鉴于土壤环境及其相关微生物群落的复杂性，直接操控根际微生物群落极具挑战性。但由于该群落的结构和功能主要由植物根系控制，通过调节根系特性间接引导根际微生物群落是一种可行的替代策略。研究表明，根系分泌物和根际微生物群落在不同植物发育阶段和环境条件下存在差异[[8], [17], [21], [22]]。农业实践（如施肥和种植模式）也会影响根系分泌物和根际微生物群落[[23], [24], [25]]。然而，这些方法主要是通过非特异性地改变土壤环境来影响根系与微生物的相互作用，因此通常缺乏对特定微生物功能进行精准调控的能力。植物作为一个完整的系统，地上部分通过信号传导影响根系生理。这一原理为通过地上部分调节根际微生物群落结构和功能提供了基础。越来越多的证据表明，叶面施肥或干预可以作为一种强大的系统信号，触发一系列生理变化，重新调整根系发育，并显著改变根际微生物组的组成和功能[[26], [27], [28]]。这种地上干预会引发一系列地下生态效应。研究表明，氮、磷和微量元素等养分的叶面施用可以改变根系分泌物的数量和质量——这是植物与微生物交流的主要媒介[[29]]。这些变化可以选择性地富集有益微生物（如丛枝菌根真菌（AMF）），从而增强土壤养分矿化和植物养分吸收[[30]]。此外，特定的有机叶面添加剂似乎具有生物刺激作用，可以激活植物的免疫反应，并系统性地调节根系分泌物模式，从而构建出更能抵抗病原体、更高效进行养分循环的根际微生物组[[31], [32], [33]]。这表明叶面施肥既是一种养分输送方法，也是一种新型的自上而下的生态调控方式，利用植物的内在信号网络来调节土壤微生物群落和功能。然而，仍需进一步研究以明确叶面养分状态与根际微生物招募之间的精确信号通路。

我们之前的研究表明，水稻可以招募根际中能够迁移磷的微生物来应对磷缺乏[[8]]。尽管如此，我们仍缺乏能够有效增强根际微生物群落磷迁移能力的技术方法。腐殖酸（HA）是土壤有机质的关键成分，由植物和微生物残余物分解形成，是一种含有大量高反应性有机分子的复杂混合物。研究表明，腐殖酸是一种有效的植物生物刺激剂，可以促进作物生长和养分吸收[[34], [35]]。腐殖酸通过刺激根系生长和增强植物的光生物学过程来影响植物生理。这些发现表明，腐殖酸的应用改变了植物根系的生理和代谢过程，可能导致根系分泌物的数量和组成发生变化——这是植物与微生物交流的主要媒介，从而影响根际微生物群落的组成和功能。因此，腐殖酸可能作为一种自上而下的生物刺激剂，用于调节水稻根际微生物群落的组成和功能，以提高植物对磷的吸收。为了验证这一假设，本研究旨在阐明叶面施用腐殖酸与磷限制条件下水稻根际微生物组功能重构之间的机制联系。通过阐明这种地上-根系之间的生态级联反应，我们希望为开发精准的生态农业策略做出贡献，利用植物-微生物相互作用来提高磷利用效率，减少对矿物磷肥的需求。

实验设计

该田间实验在中国安徽省桐陵市（30.956° N, 117.988° E）进行，始于2023年。该地区属于北亚热带湿润季风气候，特点是阳光充足，雨季和热季同时出现。年平均降水量为1411毫米，年平均气温为17.1℃。实验地点的土壤类型为Ultisol，pH值为6.19，总氮含量为0.89克/千克，有效磷含量为17.78克/千克，有效钾含量为

叶面施用腐殖酸对水稻生长、磷吸收和产量的影响

测量了水稻高度、SPAD值、地上部分干重以及地上和根系中的磷浓度，以评估腐殖酸处理对水稻生长和磷吸收的影响（表1）。结果表明，腐殖酸显著促进了水稻生长和磷吸收，增加了水稻高度，并显著提高了地上部分的干重，使得地上生物量比对照组高出17.83%。腐殖酸处理还增加了叶片中的叶绿素含量（通过SPAD值评估）和地上部分中的磷含量

讨论

在所有必需养分中，磷的行为具有矛盾性：虽然土壤中磷含量丰富，但由于其大多以不溶性有机和矿物复合物的形式存在，其生物有效性极低。因此，提高土壤中磷的有效性对于提高磷利用效率和确保磷资源的可持续性至关重要[[48]]。然而，土壤中磷的有效性过高则可能导致资源流失和环境污染。

结论

利用根际微生物群落的组成和生态功能是提高土壤养分利用效率的一种潜在方法。本研究通过地上干预措施调控根际微生物组，建立了提高磷利用效率的范例。腐殖酸处理显著促进了水稻生长和磷吸收，同时显著改变了根际细菌群落的组成，形成了富含参与磷迁移的细菌种类的群落

作者贡献声明

刘晓辉：撰写——初稿撰写、研究实施、数据分析。孙蕾妮：指导、方法学设计、数据管理。王梦洁：研究实施、数据分析。姜子莫：研究实施、数据分析。王珊珊：指导、资源协调。陈帅民：指导、方法学设计。罗冰冰：方法学设计、数据管理。马超：指导。孙瑞波：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法学设计、资金申请、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1902300）和安徽省自然科学基金（2508085J024）的财政支持。