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中国农业大学等多团队在 Plant Cell Environ (Q1/6.3) 发文!揭示土壤微生物调控玉米生长的磷依赖性机制

2026-10-25 14:16:56

中国农业大学等多团队在 Plant Cell Environ (Q1/6.3) 发文!揭示土壤微生物调控玉米生长的磷依赖性机制

土壤微生物是植物健康生长的“隐形伙伴”，既能促进养分吸收，也可能抑制植物发育。然而，在不同磷肥施用条件下，土壤微生物如何通过调控根系转录组影响玉米生长，尚不完全清楚。近日，来自中国农业大学、西北农林科技大学、西澳大学等机构的科研团队在国际期刊 Plant, Cell & Environment（Q1，IF 7.3）发表题为 “Soil Microbiota Modulates Root Transcriptome With Divergent Effect on Maize Growth Under Low and High Phosphorus Inputs” 的研究论文，首次系统揭示了在低磷和高磷条件下，土壤微生物对玉米根系转录组的调控差异及其对生长的双重影响。

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通讯作者及单位

Correspondence: Zhihong Xie

Affiliation: National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai’an, China

Email: zhihongxie211@163.com

结果一：土壤微生物对玉米生长的影响因磷水平而异。在低磷条件下，土壤微生物显著促进了玉米幼苗的生长，地上部和根部生物量分别增加了 340% 和 900%。而在高磷条件下，微生物反而抑制了生长，地上部和根部生物量分别减少了 39% 和 23%。这表明微生物对玉米的影响高度依赖于土壤磷的供应水平。

结果二：微生物诱导的根系转录组变化在低磷条件下更显著。转录组分析显示，低磷条件下微生物对根系基因表达的影响远大于高磷条件。其中，“次生代谢”、“黄酮类合成”、“GRAS转录因子家族”和“生物胁迫响应” 等功能通路在两种磷水平下均被显著诱导，表明微生物普遍激活了玉米的防御反应。

结果三：特定生物学过程仅在特定磷水平下被诱导。在高磷条件下，微生物抑制了与“酸性和其他磷酸酯”相关的基因表达；而在低磷条件下，“脂质转移蛋白”、“细胞色素P450”、“细胞壁修饰”、“苯丙烷代谢”和“赤霉素激素代谢” 等通路特异性上调，暗示这些过程可能参与低磷条件下微生物促进生长的机制。

结果四：微生物群落结构受生态位影响大于磷水平。尽管长期施磷对土壤性质有显著影响，但微生物群落的整体结构和多样性在低磷和高磷处理间无明显差异。细菌以鞘氨醇单胞菌、链霉菌为主，真菌以鬼笔菌、镰刀菌为主，且预测功能分析表明，真菌中约一半为腐生型，约四分之一为植物病原菌。

结果五：微生物维持玉米磷稳态，独立于土壤磷水平。无论磷水平高低，土壤微生物均显著提高了玉米植株的磷浓度。在低磷条件下，微生物使磷积累量提高了20倍以上，表明微生物在磷缺乏时对植物磷营养的维持具有关键作用。

结果六：PSR基因表达受微生物与磷水平的共同调控。在161个已知的磷饥饿响应基因中，有71个在处理间显著差异表达。其中Pht1;6、Pht1;11等基因在微生物存在下显著上调，而SPX1、SPX2等基因则被抑制。这些结果表明，PSR基因的表达不仅受磷浓度调控，也受到微生物的显著影响。

结果七：PSR与防御反应基因形成交互网络，调控离子稳态。通过蛋白互作网络分析，研究发现了PSR基因与“黄酮合成”、“苯丙烷代谢”、“防御反应”等通路之间的密切联系。其中Transketolase、ALS1等基因可能作为关键调控节点，协调磷饥饿与防御反应之间的权衡。此外，根系铁浓度与多个网络基因显著相关，提示铁在植物-微生物互作中扮演重要角色。

图1：低磷条件下土壤微生物促进玉米生长，高磷条件下抑制生长。

图2：微生物对根系转录组的影响在低磷条件下更强，多个代谢通路显著富集。

图3：微生物群落结构主要受生态位影响，磷水平影响较小。

图4：微生物显著提高玉米磷浓度，尤其在低磷条件下效果更明显。

图5：PSR基因表达模式受磷水平和微生物共同调控，部分基因对微生物高度敏感。

图6：PSR与防御反应基因形成复杂互作网络，与根系离子组显著相关。

图7：提出磷依赖性整合模型：PSR与防御反应协同调控玉米生长。

本研究系统揭示了在不同磷水平下，土壤微生物通过调控根系转录组对玉米生长的双向调控机制，并提出了PSR与防御反应整合调控模型。未来可进一步探索关键调控基因（如Transketolase、ALS1）的功能机制，挖掘可用于微生物定向调控的分子靶点，为低磷土壤中作物生长促进和高磷土壤中生长抑制缓解提供理论依据和技术路径。

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