通过宏基因组学研究，探讨根际微生物组功能谱型在假单胞菌组合及磷酸盐添加条件下对土壤磷迁移的影响

《Applied Soil Ecology》：Metagenomic insights into the influence of rhizosphere microbiome functional profiles for soil phosphorus mobilization under Pseudomonas combinations and phosphate addition

噬菌体组合与不同磷源（植酸钠、磷酸二氢钾）协同作用，通过改变苜蓿根系微生物群落结构及功能基因（gcd、phy）丰度，显著提升土壤有效磷及酶活性，促进植物磷吸收，证实植酸作为有机肥源的增效潜力。

　　

杨小蕾|李琦|李长宁|徐新瑞|刘亚轩|吴克瑞|姚拓

甘肃农业大学草地科学学院，兰州，730070，中国

摘要

应用假单胞菌组合是提高植物磷（P）吸收的关键策略。然而，目前尚不清楚不同的磷酸盐输入是否能够增强假单胞菌与根际土壤微生物组之间的相互作用，从而影响土壤中磷的迁移。在这项研究中，我们通过宏基因组测序技术，探讨了假单胞菌接种和磷处理（不添加、添加磷酸二氢钾或植酸钠）对土壤中磷迁移的影响，以及苜蓿根际磷循环的微生物组功能特征。结果表明，添加植酸钠显著增加了细菌网络的复杂性，在接种处理下的苜蓿根际核心微生物属为假单胞菌和Nitrospira，这两个属与土壤微生物生物量磷（MBP）含量和酸性磷酸酶活性呈显著正相关。同时，磷的添加增加了gcd和phy基因的丰度，其丰度受到假单胞菌和Nitrospira的调控。此外，磷的添加通过增加土壤中有效磷的含量和MBP含量，对植物生长和磷积累产生了积极影响。总体而言，磷添加对土壤中磷含量的直接影响以及假单胞菌接种对苜蓿根际微生物群落结构和功能的间接影响共同促进了土壤中磷酸盐向植物可利用形式的转化，其中添加植酸钠表现出更强的相互作用效应和促进苜蓿生长的微生物活性。我们的发现证实了植酸作为有机肥料输入的潜力，这有利于在可持续农业生态系统中建立高效的磷管理策略。

引言

磷（P）对土壤健康和作物发育至关重要（Pan等人，2025；Oliverio等人，2020）。土壤中的磷主要以难利用的无机和有机化合物形式存在，这些化合物不易被植物吸收（Vitousek等人，2010）。农业系统中通常会使用大量磷肥来弥补养分不足并提高作物产量（MacDonald等人，2011）。然而，大多数磷肥会以磷酸钙（Ca²⁺）、铝（Al³⁺）和镁（Mg²⁺）等矿物的形式沉淀，从而降低其生物有效性。植物根系只能吸收土壤溶液中高反应性的可溶性正磷酸盐，如PO₄^3?、HPO₄^2?和H₂PO₄^?（Zhang等人，2019）。在生长季节，只有10–15%的施用磷肥被作物有效利用（Johnston等人，2014）。此外，由于磷是一种不可再生的自然资源，其过度施用会导致水体富营养化和生物多样性丧失，因此开发增强磷肥有效性的生物技术对于缓解农业生态系统中的磷限制问题至关重要（Vitousek等人，2010）。

许多土壤微生物，尤其是根际微生物，能够溶解或矿化难利用的磷，使其可供植物利用（Kour等人，2021；Siles等人，2022）。定殖在根际的土壤微生物拥有多种参与磷循环的基因，这些基因编码能够溶解难利用磷的酶和有机酸（Richardson等人，2011）。参与土壤磷循环的微生物基因主要可以分为四个功能类别：无机磷的溶解，如gcd、ppk和ppa；有机磷的矿化，包括phoA、phoD和phy；磷的吸收和运输，如pit、pstA和ugpB；以及磷的调节，如phoB、phoR和phoU（Siles等人，2022；Hsieh和Wanner，2010；Liu等人，2021）。在这些基因中，gcd编码吡咯喹啉醌葡萄糖脱氢酶（PQQGDH），这是一种关键酶，需要PQQ辅因子来通过调节葡萄糖酸氧化来驱动磷酸盐的溶解（Kour等人，2021）。phoD基因编码碱性磷酸酶（ALP），bpp基因编码β-螺旋植酸酶，这两种酶在有机磷矿化过程中都发挥了重要作用（Liu等人，2021；Giles等人，2014）。其他基因系统，如ugp、pst和phn，也在磷的迁移中发挥着重要作用。然而，这些基因的特异性引物目前尚缺乏（Dai等人，2020）。宏基因组测序技术可以克服这一限制，并提供有关与土壤磷转化相关的微生物分类群的见解（Wang等人，2023a）。利用这种方法，已经鉴定出参与根际磷循环的核心微生物组，包括假单胞菌、农杆菌、根瘤菌和Burkholderia等属。其中许多微生物对植物有益（Liao等人，2023；Xu等人，2024；Liu等人，2023）。它们表现出与生物相互作用、养分获取和促进植物生长相关的功能特征。这些发现为利用微生物组来改善植物养分吸收和土壤健康提供了关键信息（Oliverio等人，2020）。

人工接种有益微生物可以改善根际环境，从而提高土壤养分状况（Shao等人，2025）。然而，由于多种环境因素的影响，单一菌株在田间条件下的效果往往不稳定（Xu等人，2025）。相比之下，外源添加具有高生物相容性和互补功能的人工微生物群落（SynComs）可以改变土壤的物理化学性质，影响本土微生物群落的结构和功能，促进作物生长（Huet等人，2023）。Shao等人（2025）发现，四种芽孢杆菌菌株的组合通过增加关键属的丰度，调节了根际微生物群落的结构和功能。同样，Zhuang等人（2021）报告称，由六种假单胞菌菌株组成的SynCom比单一菌株更能促进植物生长。在我们之前的研究中，我们构建了四种具有互补功能假单胞菌菌株的有益微生物组合（Li等人，2023），旨在将其开发为改善土壤性质的生物制剂。因此，研究微生物组合如何影响土壤养分的生物转化及其功能性和稳定性的因素，对于生物制剂的战略性和科学应用至关重要。

植酸是作物秸秆中主要的有机磷形式，其输入可能对土壤中磷的转化和循环产生影响（Liu等人，2022）。鉴于秸秆还田和磷肥施用是农业中的重要管理措施，了解各种磷酸盐肥料输入和微生物接种对土壤中磷有效性的影响将非常有价值。本研究的目的是（1）探讨在添加植酸或无机磷酸盐（K₂HPO₄）的情况下，假单胞菌组合接种后苜蓿土壤中磷组分和相关酶活性的变化；（2）确定微生物群落和磷循环基因的变化如何影响土壤中磷的有效性和植物生长。我们旨在阐明接种剂通过微生物与根际微生物组的相互作用以及土壤生化变化，直接或间接增强土壤中磷有效性的机制。

实验材料和土壤

本实验使用的植物是苜蓿（Medicago sativa ‘Gannong No. 4’）。四种假单胞菌菌株，即Pseudomonas baetica GAU-00662、P. mandelii GAU-00663、P. reinekei GAU-00664和P. mandelii GAU-00676，在LB培养基中培养并制备成悬浮液。每种悬浮液的浓度调整为1 × 10⁸ CFU·mL^?1。将这四种悬浮液按1:1:1:1的体积比混合，制备假单胞菌组合悬浮液。

低磷农田土壤取自兰州，

土壤磷特性和酶活性

图1和表S4显示了在三种磷添加条件下外源假单胞菌组合对土壤磷的相关影响。添加K₂HPO₄的接种（PSM）处理使土壤中的AP和TP分别增加了17.45%和13.76%，而添加Na-IHP使MBP增加了84.60%（与未接种对照组（No-PSM，P < 0.05）相比）（图1a-c）。同时，分级提取结果表明，有机磷主要以HROP的形式存在（图1d）。

假单胞菌组合的应用在磷添加条件下增强了土壤中磷的有效性和酶活性

磷对多种植物生化过程至关重要；然而，由于土壤生态系统的复杂性和多样性，植物获取难利用磷的策略往往效率低下（Wang等人，2023c）。施用的磷肥容易在土壤中积累，因为它们会被强烈吸附、快速沉淀并转化为不可利用的形式。因此，激活外源磷对于提高植物对磷的吸收和改善土壤磷含量至关重要（Zhang等人

结论

我们的研究表明，在无机和有机磷输入条件下，有益的假单胞菌组合与苜蓿根际土壤微生物之间存在多种相互作用。与土壤磷溶解和矿化相关的根际土壤微生物的群落结构和功能特征受到微生物接种的显著影响。假单胞菌组合招募了携带gcd和phy基因的Nitrospira类群，从而增强了特定微生物的贡献

CRediT作者贡献声明

杨小蕾：撰写——原始草稿、软件、方法论、概念构思。李琦：软件、方法论、调查、概念构思。李长宁：数据可视化、数据管理。徐新瑞：调查。刘亚轩：调查。吴克瑞：调查。姚拓：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论。

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所述的工作。

致谢

本工作得到了草地生态系统重点实验室（甘肃农业大学）、教育部（资助编号：KLGE-2024-05）、国家饲料产业技术体系（资助编号：CARS-34）、甘肃省优秀博士生计划（资助编号：24JRRA674）的支持。