镰刀菌属（Fusarium）的种类丰富度能够显著预测巴希草（Bahiagrass）叶片中的磷含量

《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：The abundance of a Fusarium taxa strongly predicts foliar phosphorus concentrations in Bahiagrass

可持续农业生产力在缺磷土壤中需创新以减少合成肥料依赖，真菌可能通过增强植物磷获取实现这一目标。本研究发现，在热带牧场土壤磷梯度下，白三叶草（Paspalum notatum）根际和根内真菌多样性存在显著差异，且特定Fusarium菌株相对丰度与叶片磷浓度呈正相关，可能通过铁竞争间接促进磷活化，解释了58%的叶片磷浓度变异。总磷与Fusarium ASV共同解释了67.8%的变异，尽管该菌在数据库中被标记为病原体，但实验表明部分Fusarium菌株可能通过抑制更强致病菌间接促进磷循环。研究提出两种假设：Fusarium可能直接动员磷或其丰度增加源于低致病性竞争机制，为缺磷土壤中真菌生态功能评估提供新视角。

　　

Daniel F. Petticord | Ran Zhi | Elizabeth H. Boughton | Yuxi Guo | Hui-Ling Liao | Alma L. Reyes | Jiangxiao Qiu | Jed P. Sparks

康奈尔大学生态与进化系，纽约伊萨卡

摘要

在磷缺乏的土壤中维持农业生产力需要创新，以减少对合成肥料的依赖。一个尚未充分探索的解决方案是真菌在增强植物磷（P）吸收中的作用。我们研究了在亚热带牧场中，全球重要的牧草Paspalum notatum的根际和根部的真菌多样性，这些牧草生长在不同的土壤磷梯度条件下。根际真菌群落比根部真菌群落更加多样化，尽管不同植物之间的根部真菌群落在组成上存在差异。叶片磷浓度的变化部分可以通过植物可利用的磷、碳含量和土壤湿度来解释（R² = 0.58）。DESeq2分析识别出两种其相对丰度随叶片磷含量变化的真菌类群：一种是Fusarium variasi ASV，其丰度随磷含量增加而增加；另一种是未鉴定的Clavariaceae ASV，其丰度随磷含量减少而减少。将这些真菌类群纳入回归模型后，叶片磷含量的预测准确性得到了提高，总磷含量和Fusarium ASV共同解释了67.8%的变异。尽管Fusarium ASV在FungalTraits数据库中被标记为病原菌，但并非所有Fusarium菌株都对植物有害。许多Fusarium菌株的致病性较弱或具有益处，它们通常通过根际竞争抑制更毒性的病原菌来促进植物生长。这种竞争背后的关键机制是铁的获取。我们推测，这种策略可能还有一个未被充分认识的副作用：从铁结合的磷库中释放磷。在高度风化的热带土壤中，钙和镁含量较低，而磷常常被氧化铁所固定，这种铁的竞争可能会间接提高植物的磷可用性。我们的研究提出了两个非互斥的假设：(a) 这种Fusarium菌株可能通过释放磷提供真正的益处；(b) 其丰度的增加可能反映了其较低的致病性，这种致病性更多地抑制了生物量的增长，而不是磷的吸收，从而有效地提高了叶片中的磷含量。这些结果强调了重新评估根际Fusarium及相关真菌类群的生态角色的必要性——它们不仅是潜在的病原菌，也是磷限制生态系统中的养分循环参与者。

引言

在不长期施用磷肥的情况下维持农业生产力是一个紧迫的全球性挑战。全球磷矿石储量有限，磷产量将在2030年代达到峰值（Roy等人，2016年）。此外，农业土壤中富含磷的径流会导致有害藻类的大量繁殖，造成严重的生态破坏和经济损失（Conley等人，2009年；Dods等人，2009年；Smith & Schindler，2009年）。能够有效循环利用现有磷的作物系统对于全球粮食安全至关重要（Pavinato等人，2020年）。设计更循环的作物系统有很多方法，但大多数方法都需要利用一种几乎普遍存在的共生关系；几乎所有陆地植物都通过用光合作用产生的碳交换真菌提供的磷来获取磷。大多数陆地植物与丛枝菌根真菌（AMF）形成共生关系，这些真菌通过广泛的菌丝网络增强养分吸收（Bolan，1991年；Tendersoo等人，2020年）。除了AMF之外，非菌根真菌如Penicillium、Fusarium、Aspergillus、Alternaria、Helminthosporium、Arthrobotrys和Trichoderma也能从有机或矿物来源中溶解磷（Sharma等人，2007年）。

我们研究了Bahiagrass（Paspalum notatum Flüggé）中真菌对磷吸收的贡献，这是一种原产于南美洲的全球重要多年生牧草，广泛种植在肥力较低的沙质土壤中。P. notatum被认为通过庞大的根系和与真菌的共生关系在养分贫瘠的条件下维持磷的吸收，使其成为研究真菌在支持传统施肥牧草物种磷需求方面的重要植物模型（Beule等人，2019年；Feng等人，2023年；Ishii等人，1997年）。

为了指导我们的分析，我们提出了以下问题：特定的真菌类群是否比单独的土壤化学成分更能预测植物的磷状态？我们假设虽然局部土壤化学成分会对植物叶片磷浓度产生强烈影响，但某些真菌类群的丰度可能解释了剩余的变异，这可能反映了它们在磷吸收或循环中的功能作用。

为了回答这个问题，我们在Buck Island Ranch（BIR）进行了实地调查，该牧场隶属于Archbold生物站，面积为4200公顷，直到1987年一直施用氮、磷和钾肥。独特的是，之前的研究为我们提供了该地区表土磷含量的高分辨率地图（Qiu等人，2024年）。我们在不同的土壤磷梯度（约40–316毫克/千克总磷）下采样，并收集了18株年龄、大小和健康状况相近的植物的根部和根际土壤。

研究区域

本研究在Buck Island Ranch（BIR；27°09’N, 81°12’W）进行，这是一个由Archbold生物站管理的4290公顷的牧场，位于佛罗里达州Okeechobee湖的源头。BIR是佛罗里达州主要的养牛场之一，这里有温暖的旱季（11月至5月）和炎热的雨季（6月至10月），年平均气温为22.5°C，降雨量平均为1360毫米（其中75%发生在雨季）。BIR的土壤主要是高度风化的Alfisols、Entisols和Spodosols。

根部和根际的真菌多样性

大多数读段在数据过滤过程中得到了保留（见表1）。在移除了在少于2.5%的样本中出现的低丰度读段后，94%的读段可以在门水平上进行分类。54%的读段可以在纲水平上进行分类，36%的读段可以在目水平上进行分类，27%的读段可以归类到科和属，使用FungalTraits工具进行功能分类的读段比例也大致相同（26%）。13%的读段可以在种水平上进行分类。

讨论

本项目的目标是更好地了解根部和根际真菌如何与生长中的、具有商业价值的土地类型（历史上施用过肥料的牧场）中的叶片磷浓度相关联。为此，我们使用了P. notatum作为植物模型。P. notatum是一种全球重要的牧草。叶片磷含量（%）是一个用于判断田地是否需要额外施用磷肥的指标（SS-AGR-332/AG342）。

结论

我们发现，根际和根部相关的真菌群落在丰富度和组成上存在显著差异。在植物可利用磷含量较低的地区，根际中分解者类群（如Penicillium、Leptobacillium）的相对丰度增加，而与根部相关的Arnium可能反映了在极低磷条件下对有机磷循环的依赖增加。我们还发现了一种根际中的Trichoderma ASV

CRediT作者贡献声明

Daniel Petticord：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目管理、方法论设计、研究实施、资金获取、正式数据分析、数据整理、概念构建。 Yuxi Guo：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计。 Hui-Ling Liao：撰写 – 审稿与编辑。 Ran Zhi：撰写 – 审稿与编辑、数据整理、概念构建。 Boughton H. Elizabeth：数据可视化、项目管理。 Jiangxiao Qiu：

未引用参考文献

opm.; SS-AGR-332/AG342: Bahiagrass : 概述和牧场管理，无日期

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本研究的支持来自佛罗里达州农业和消费者服务部农业水资源政策办公室（26935）。Qiu还获得了美国农业部国家食品和农业研究所（Hatch项目FLA-FTL-006277）和AFRI基础与应用科学计划（2020–04406；2022-09819）项目的支持，以及佛罗里达大学自然资源与环境学院的支持。这项研究是长期农业生态系统研究的一部分。