磷有效性调控丛枝菌根真菌与溶磷细菌的碳磷交换合作机制

本研究针对无机磷(P)有效性如何调控丛枝菌根真菌(AMF)与溶磷细菌(PSB)的互作机制这一核心问题，通过体外双室培养系统结合转录组分析，首次揭示：低无机磷条件（35μM KH2PO4）通过激活双方碳(C)代谢与磷转运通路，强化AM真菌（Rhizophagus irregularis）与PSB（Rahnella aquatilis）的C-P交换合作，显著提升有机磷矿化效率；而高磷条件（700μM KH2PO4）则抑制该互作。该发现为优化农业磷肥管理、利用微生物互作提升土壤磷循环效率提供理论依据。

　　

论文解读

在自然生态系统中，植物、丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF)和土壤细菌形成稳定的共生网络。AMF通过扩展根系的吸收范围帮助植物获取磷(P)等矿物营养，同时从宿主获得碳(C)资源。有趣的是，AMF的根外菌丝还会与溶磷细菌(Phosphate-Solubilizing Bacteria, PSB)合作——菌丝分泌C源供细菌生长，而PSB则将有机磷矿化为无机磷供AMF吸收。然而，环境中的无机磷浓度如何精确调控这种"真菌-细菌"合作？这一机制长期未知，限制了人们对土壤养分循环的预测能力，也阻碍了基于微生物互作的农业可持续管理策略开发。

比利时鲁汶大学的研究团队在《Communications Biology》发表的研究填补了这一空白。他们建立了一个创新的体外双室培养系统：在根室(RC)中，蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)根系与AM真菌Rhizophagus irregularis共生；在菌丝室(HC)中，仅允许真菌菌丝生长，并通过精确控制KH₂PO₄浓度模拟低磷(35μM)和高磷(700μM)环境。随后引入PSB菌株Rahnella aquatilis，结合磷动力学测定、细菌绝对定量(qPCR)、磷酸酶活性分析及双物种转录组测序，揭示了无机磷有效性对AMF-PSB互作的调控机制。

一、AMF-PSB互作显著提升有机磷矿化效率

在低磷环境下，AMF与PSB共存(RI+RA+)使菌丝室的酸性磷酸酶(ACP)和碱性磷酸酶(ALP)活性较单菌体系提高3-4倍（图1c,d），推动有机磷消耗量达单一PSB处理的2倍（图1b）。真菌诱导的磷矿化效率(EPM)在低磷下比高磷时高75%（图1g）。这表明AMF通过激活PSB的磷酸酶分泌系统，高效解锁环境中的有机磷资源。

二、AMF分泌碳源驱动PSB生长与趋化

低磷条件下，AMF菌丝分泌的C源使PSB绝对丰度比无真菌时提高75%（图2a）。体外验证显示，低磷AMF分泌物的促菌效果显著优于高磷（图2b）。转录组数据进一步揭示：AMF分泌物激活PSB的糖转运基因（如葡萄糖转运蛋白crr、海藻糖转运蛋白treB），加速糖酵解和TCA循环（图3c）；同时上调鞭毛组装基因（flgN, motA）和趋化调控基因（cheA, cheY），驱动细菌向菌丝定向迁移（图3a）。

三、低磷触发PSB磷代谢基因的协同表达

在磷调控层面，低磷下AMF显著上调PSB的核心磷调控基因（phoB、phoR）和磷转运基因（图4a）。其中植酸酶基因phy、碱性磷酸酶基因phoN2表达量较单菌体系提高8倍（图4c）。值得注意的是，磷调控基因与矿化/转运基因呈强正相关（R²>0.57），而与溶磷基因负相关（图4b），表明PSB优先投资高效磷矿化而非溶磷途径。

四、AMF通过PHO通路整合磷传递与碳代谢

低磷下，AMF的磷吸收基因（pho84、pho89）表达量提升，并通过激活PHO调控系统（pho4上调、pho85抑制）加速多聚磷(Poly-P)合成与精氨酸耦合转运（图5a）。同时，TCA循环（OGDH、IDH1）和脂肪酸降解基因（ACAT）表达增强（图5b），表明真菌将更多P转运至宿主以换取C资源，进而支撑其向PSB的C输出。

五、磷有效性决定C-P交换速率

量化分析显示：低磷下AMF的磷吸收率(PUR)比高磷时高4.78倍（图6a），PSB的碳获取率(CAR)提高91%（图6b），形成正向反馈循环。高磷则导致AMF直接吸收环境无机磷并储存，降低对PSB的C投资（图7b）。

结论与意义

本研究首次阐明无机磷有效性是AMF-PSB互作的"环境开关"：低磷激活双方C-P交换的分子机器（图7a），包括PSB的糖代谢-趋化-磷矿化级联反应和AMF的PHO通路-C代谢协同；而高磷削弱该互作，使AMF转向直接吸磷策略。

该机制对农业可持续发展有重要启示：在低磷土壤中，通过调控AMF-PSB互作可提升有机磷再利用效率，减少约30%磷肥投入（如玉米田间试验所示）。未来需在田间系统中验证该互作网络，并探索植物C分配如何协调多物种互作，为生态农业提供新范式。