磷限制条件下蜈蚣草高效富集砷的机制解析：基于不溶性植酸钙与磷矿粉的植物修复新策略

本研究针对砷(As)污染土壤修复中磷(P)有效性制约植物修复效率的难题，通过分析超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata)在低可溶性P、不溶性植酸钙(Ca-phytate)和磷矿粉(PR)三种P限制条件下的生长响应，揭示其通过分泌有机酸(如植酸、苹果酸)和植酸酶(phytase)活化难溶性P，同时上调磷转运蛋白(PvPht1;3/1;4)表达实现As/P协同富集的独特机制，为优化植物修复技术和土壤P资源利用提供新思路。

　　

砷污染是全球性环境问题，其致癌性严重威胁人类健康。在土壤中，砷主要以砷酸盐(As^V)和亚砷酸盐(As^III)形式存在，而磷(P)作为植物必需营养元素，其可溶性无机磷酸盐(P_i)浓度常低于作物需求。值得注意的是，蜈蚣草(Pteris vittata)作为首个被发现的砷超富集植物，能在低磷条件下茁壮成长，但其适应机制尚未明确。针对这一科学问题，浙江大学联合国际团队在《Soil》发表重要研究成果，系统解析了蜈蚣草通过活化难溶性磷源促进砷富集的分子生理机制。

研究采用水培实验结合多组学技术，设置200 μM P_i(对照)、20 μM P_i(低可溶性P)、2000 μM植酸钙-P和2000 μM磷矿粉-P四种处理，通过测定植物生长指标、元素含量、根系分泌物成分及磷转运蛋白基因表达，揭示了蜈蚣草的磷获取策略。

3.1 植酸钙与磷矿粉促进蜈蚣草生长及砷/磷吸收
研究发现三种低磷处理使蜈蚣草生物量增加78-85%，其中植酸钙和磷矿粉处理下根中磷含量提升76-79%至7569-7692 mg kg^-1，同时叶片砷含量激增384%至1288 mg kg^-1。这表明蜈蚣草能高效利用传统作物难以吸收的磷形态。

3.2 蜈蚣草分泌有机酸溶解难溶性磷
通过离子色谱检测发现，蜈蚣草在磷矿粉处理下分泌的苹果酸达214 μM kg^-1根鲜重，植酸钙处理诱导植酸分泌量增加54%。特别值得注意的是，蜈蚣草是已知唯一能分泌植酸的植物，其溶解磷矿粉的效率是其他有机酸的4.3-8.6倍。

3.3 通过植酸酶分泌获取植酸磷
植酸酶活性测定显示，植酸钙处理使根系植酸酶活性提升6.5倍至129 ng min^-1 g^-1，根分泌物中活性增加3.3倍。这种"双管齐下"的磷活化策略解释了蜈蚣草在植酸钙处理下培养液中可溶性磷增加10倍的现象。

3.4 磷转运蛋白上调驱动砷/磷协同吸收
qRT-PCR分析表明，植酸钙和磷矿粉处理使磷转运蛋白PvPht1;3/1;4表达量上调2.1-5.6倍，这与植物体内砷积累量呈正相关。特别发现植酸钙对PvPht1;3的特异性诱导作用，为理解砷超积累的分子机制提供了新视角。

该研究首次系统比较了蜈蚣草对不同形态磷源的利用策略，提出"有机酸-植酸酶-转运蛋白"三位一体的磷获取机制模型。这不仅为砷污染土壤的植物修复提供了优化方案——推荐使用植酸钙或磷矿粉替代传统磷肥，同时其发现的植酸分泌特性和磷转运蛋白调控机制，可为作物磷高效遗传改良提供基因资源。研究还创新性地揭示了植物通过分泌植酸实现"自我供磷"的生态适应策略，为理解植物-土壤互作开辟了新思路。