磷匮乏环境中菌根植物通过羧酸盐释放获取养分的策略机制解析

本研究揭示了在澳大利亚西南部极度贫磷土壤中，菌根植物通过根系释放羧酸盐（carboxylate）获取磷（P）的创新策略。通过对比19种菌根与非菌根植物的叶片锰浓度（[Mn]）与稳定同位素（δ15N、δ13C），结合水培实验证实，丛枝菌根（AM）和外生菌根（EM）植物通过羧酸盐释放高效活化土壤磷，同时依赖无机氮源，而具簇根的普罗梯亚科（Proteaceae）植物则表现出更保守的养分利用策略。研究颠覆了传统认知，为贫瘠生态系统植物适应性机制提供了新见解。

　　

引言

在贫磷（P-impoverished）生态系统中，约90%维管植物依赖菌根真菌获取养分，但菌根在极端贫磷土壤中的有效性受到质疑。本研究以澳大利亚西南部Mundy Regional Park为样地，探究菌根植物在贫磷环境中的替代养分获取策略，提出羧酸盐释放可能是其关键适应机制。

材料与方法

选取19种植物（含丛枝菌根AM、外生菌根EM及非菌根簇根物种），测定叶片元素（P、N、Mn）及δ¹⁵N、δ¹³C同位素组成。通过水培实验量化根系羧酸盐释放速率，结合主成分分析（PCA）和系统发育信号检验（Pagel's λ、Blomberg's K）解析性状关联。

结果

1. 羧酸盐释放与叶片锰标记
   高叶片[Mn]的菌根植物（如桉树Eucalyptus wandoo）羧酸盐释放速率达0.1–0.2 nmol g^?1 s^?1，与簇根普罗梯亚科相当。但部分高[Mn]物种（如Thomasia macrocarpa）未检测到羧酸盐释放，表明[Mn]作为标记存在谱系依赖性。

2. 养分利用策略分化
   AM植物叶片[P]（0.5 mg g^?1 DW）显著高于簇根植物（0.25 mg g^?1），且δ¹⁵N更负（?5‰至0‰），表明其依赖无机氮源；簇根植物δ¹⁵N为正（+2‰至+5‰），提示其利用有机氮。

3. 水分与碳分配
   干旱样点的植物δ¹³C值较高（?28‰ vs ?30‰），反映水分利用效率（WUE）提升。光合碳优先分配至根系羧酸盐释放，形成“碳盈余”策略。

讨论

1. 菌根功能的重新审视
   菌根在贫磷土壤中可能转向防御而非养分获取，羧酸盐释放成为独立于菌根的P活化途径。
2. 生态位分化
   AM植物通过羧酸盐维持高[P]并获取无机氮，而簇根植物以高碳成本实现P高效利用，二者在贫瘠生境中共存。

结论

该研究揭示了羧酸盐释放作为菌根植物在贫磷环境中的“隐形武器”，挑战了菌根主导养分获取的传统范式，为理解极端环境植物适应提供了新框架。