不同磷源供给下田间玉米根系形态与根际代谢物的响应机制及其对磷效率的提升作用

本综述系统阐述了田间条件下不同磷肥类型（难溶性磷矿粉RP与可溶性磷酸二铵DAP）、玉米品种（磷高效型Stabil与磷敏感型Ricardinio）及石灰施用对玉米根系形态（根干重、根长、根长密度RLD）和根际代谢物（羧酸盐、植物激素）的调控机制。研究发现RP在六叶期显著抑制根系生长，但至灌浆期品种间出现分化响应；根际羧酸盐与植物激素浓度虽无处理间差异，但在根系不同区段（基部、侧根尖端）呈现显著空间异质性。研究为通过协同优化根系构型与根际化学环境以提高磷利用效率（PUE）提供了新视角，对减少农业对高溶性磷肥的依赖具有重要意义。

　　

引言：磷缺乏的全球挑战与根系适应性

磷（P）是作物生产的主要限制因子，尤其在低磷土壤中。全球磷矿资源集中于摩洛哥、中国和美国，正面临加速枯竭，凸显了农业中可持续磷管理的迫切需求。土壤中磷的快速固定为难溶性形态进一步加剧了作物生产的磷短缺，严重制约作物产量。作为植物-土壤界面的核心，根系通过形态和代谢适应响应磷的时空异质性，介导磷获取。

在中等磷限制下，植物通过增加根长、降低根径、提高根毛密度等形态调整，以更低代谢成本探索更大土壤体积并高效吸磷。此外，80%以上的陆生植物通过与丛枝菌根真菌（AMF）建立共生关系改善磷的空间获取，植物根际促生细菌（PGPR）的定殖也得到促进。局部施肥通过刺激根增殖（尤其在富营养斑块）放大这些适应，增强根长密度（RLD，单位土壤体积的根长）和细根长度。

相反，严重磷缺乏显著损害新根生长，导致根生物量、总根长、RLD和AMF定殖降低。除根系结构可塑性外，根诱导的根际化学变化也被报道可增加难溶性土壤磷组分的溶解性。植物主要通过质膜质子泵（PM-H⁺-ATPases）的调节和根系分泌物的释放主动调控根际pH，依赖相应土壤的pH缓冲能力贡献于磷的活化和有效性。根系分泌物通过分泌有机酸阴离子（如苹果酸、柠檬酸）及粘液多糖改变磷有效性，改善根-土接触。

此外，磷限制下根尖区苹果酸分泌增加可介导铁动员，铁在根质外体还原后达到毒害水平，通过铁氧化酶（LPR1, LPR2）与活性氧（ROS）产生导致胞外铁沉淀，引发氧化胁迫诱导胞内胼胝质沉积，阻断分生组织碳供应，抑制初生根伸长，进而提高根毛密度和刺激侧根生长以改善磷的空间获取。植物根系和根际微生物分泌的水解酶可增强植物对可溶性有机磷的获取。因此，磷缺乏下的适应性根系分泌增强磷获取，从而提高磷吸收和磷利用效率（PUE）。

基因型变异是玉米磷适应差异的关键基础，主要体现在根形态和生理特性 variation。磷高效品种（如Stabil）在根形成可塑性和根际酸性磷酸酶活性上表现显著，而磷敏感品种（如Ricardinio）这些响应减弱。磷高效品种通常在磷缺乏下表现出更高RLD和细根比例，增强土壤探索能力；根分泌物中较高柠檬酸浓度被识别为改善磷动员的生理性状。相反，磷低效品种通常根系较小，根际酸化能力有限，导致较低PUE。

肥料溶解度根本决定肥效，但高溶解度常伴随经济和环境成本。难溶性磷矿粉（RP）尽管成本较低，但与可溶性磷酸二铵（DAP）相比，生物量低22–35%，磷吸收低40–60%。RP的低溶解度限制磷缺乏条件下的植物生长，突显了理解不同磷肥如何影响根形态和生理以改善低溶性磷源表现的必要性。

土壤pH是影响磷有效性和吸收的另一关键因子，它影响土壤性质和植物响应。土壤pH决定磷形态——pH低于4.5时铁结合磷主导，高于6.5时钙结合磷主导，H₂PO₄^? 在pH 4.5–6.5间最优可用。因此，石灰改良酸性土壤可显著增强低有效性磷源的磷可用性。

尽管根系可塑性已广泛表征，但田间条件下磷高效玉米基因型与低溶性磷肥的互作罕有探索。本研究通过研究不同磷源结合石灰施用对不同磷效率玉米根系形态和根际代谢物谱的影响，填补这一空白。我们假设在磷限制条件下，不同磷效率玉米根的形态和根际代谢物组成响应RP versus DAP及石灰施用而调控，以优化磷获取。通过解码品种、磷肥和石灰施用的协同效应对根形态和代谢适应的作用，本研究为减少农业对高溶性磷肥的依赖提供了新见解。

材料与方法：田间试验设计与采样分析

试验于2020和2021年在德国斯图加特霍恩海姆大学Oberer Lindenhof研究站进行。土壤采样于0–30 cm、30–60 cm、60–90 cm深度，土壤CAL-P属“A”级，0–30 cm pH约5.0。土壤N_min 2020年为66 kg N ha^?1，2021年为79 kg N ha^?1。

2020年试验包含三因素：磷肥类型（RP, 11% P, Dolophos? 26; DAP, 18% N–20% P）、玉米品种（Stabil, 高产磷利用型; Ricardinio, 磷敏感型）、石灰实践（不施石灰与施石灰16800 kg CaCO₃ ha^?1）。六叶期0–10 cm土壤pH不施石灰为4.9，施石灰为6.0。试验为2×2×2析因，8处理4重复。小区采用裂区设计，品种与石灰组合为主区因素，磷肥类型为副区因素。主区拉丁方设计形成4×4网格16主区，每主区分为2副区，共32小区，每区66 m2。

2021年试验扩展包含不施磷对照，作为磷肥类型因子附加水平，总小区数增至48。6主区因素水平按随机完全区组设计排列。对照副区面积减至33 m2，其他保持66 m2。

两年均施75 kg P ha^?1。为保持与DAP处理的N量（68 kg N ha^?1）、N肥类型和施肥方法一致，RP与稳定硫酸铵肥（21% N, NovaTec? Solub 21）配施。DAP和RP+NH₄-N组合作为种肥局部施用，播种时单粒播种机侧深施（种子旁5 cm，种子下7 cm）。2020年基施46 kg N ha^?1尿素（加脲酶抑制剂），总N供应180 kg N ha^?1；2021年基施34 kg N ha^?1。

玉米于2020年5月20日和2021年6月2日播种，深度3 cm，密度100,000株 ha^?1，行距75 cm。根和根际土壤溶液在不同播种后天数（DAS）采集。

根系采样与根扫描：根干生物量与形态指标

根系取样于48 DAS（六叶期）和122 DAS（灌浆期）进行，3重复。采用直径2.5 cm、长30 cm聚乙烯管取根芯，从三个位置取样：植株下方（P1）、行内两株间（P2）、磷肥 depot旁（P3）。根样轻柔清洗后扫描（Epson Expression 10000XL），用WinRhizo软件分析根长。根长密度（RLD）和比根长（SRL, 根长/根干重, cm g^?1）按公式计算：RLD = 根长 / (πr2h)，SRL = 根长 / 根干重，其中r和h为塑料桶半径和高度。扫描后根样60°C烘干至恒重。

苗期全根采样于2020年15、22、34 DAS进行，土体37.5 cm宽×37.5 cm长×30 cm深，植株茎秆居中。根从土样中挑出，轻柔清洗后60°C烘干至恒重。

根窗安装与根际土壤溶液收集

2020年于36 DAS在8处理中选4处理安装根窗（RP和DAP与品种Stabil和Ricardinio组合，不施石灰条件）。2021年选6处理，于43 DAS安装根窗（磷肥类型：No-P, RP, DAP与石灰：No lime, lime组合，品种Ricardinio）。

根际土壤溶液（含根际中高溶解性低分子量化合物）于2020年93 DAS和2021年99 DAS通过根窗收集。从根系不同区段（基部、冠根、侧根尖端）和 bulk soil 的1 cm段用吸附滤纸收集，每部分5点，收集期4 h。每部分滤纸合并提取于1 mL 80% (v/v)甲醇，用于有机酸阴离子和植物激素分析。

羧酸盐通过高效液相色谱（HPLC, Agilent 1290）测定，苹果酸和柠檬酸通过商用酶试法（R-Biopharm）额外鉴定。植物激素通过HPLC-MS（质谱QTrap 5500, AB Sciex）在霍恩海姆大学核心设施部测定。

统计分析：混合模型与显著性检验

试验采用裂区设计，2020年主区拉丁方设计，2021年随机完全区组设计（RCBD）。采用SAS v9.4混合模型分析。2020年模型：y_hijkm = μ + r_i + c_j + m_ij + α_k + γ_m + (αγ)_km + e_hijkm，其中r_i, c_j为行、列固定效应，m_ij为行×列组合随机主区效应，α_k, γ_m为品种、磷肥固定主效，(αγ)_km为互作固定效应，e_hijkm为小区误差。

2021年模型类似，但去除固定列效应，加入权重语句，品种效应及互作替换为石灰施用效应：y_hijlm = μ + r_i + c_j + m_ij + β_l + γ_m + (βγ)_lm + e_hijlm，其中β_l为石灰施用固定效应。

残差经图示检查正态性和方差齐性后，进行全局F检验评估主因素水平及互作差异。若显著，则进行Fisher’s LSD检验（α=0.05），结果用字母分组显示。

结果与讨论：根际羧酸盐与根系形态的响应

根际土壤溶液中的羧酸盐：2020年检测到6种有机酸阴离子：苹果酸、柠檬酸、咖啡酸、p-香豆酸、苯甲酸、肉桂酸。苹果酸和柠檬酸是两年中的主导成分。93 DAS（吐丝期）时，磷肥类型和品种对有机酸阴离子无显著影响，可能源于磷限制效应下降，因根系生长及 consequently 磷获取在植物发育后期受刺激作为对RP磷有效性的适应性响应。2021年99 DAS类似结果。

由于磷吸收主要发生在年轻生长根的根尖区，检视可能参与磷动员的二和三羧酸盐在不同根区的浓度至关重要。2021年检测化合物在根不同区段 variation：苹果酸、柠檬酸和反乌头酸是 quantitatively 主导的二和三羧酸盐，与既往研究一致（除痕量琥珀酸、富马酸、顺乌头酸、莽草酸）。反乌头酸（化感物质）在冠根基部区主导，柠檬酸和苹果酸在侧根尖端区主导，苹果酸在基部根区更丰富。Bulk soil溶液中未检测二和三羧酸盐，表明检测到的羧酸盐源自玉米根分泌。

苹果酸和特别是柠檬酸是pH低于7.0土壤中铁和铝的有效螯合剂，可动员难溶性磷形态。然而，与铁动员相比， solubilize 显著量磷所需根际浓度高得多。对最有效的羧酸盐柠檬酸，最低浓度5–10 μmol g^?1土壤被报道。已证实具柠檬酸介导磷动员能力的植物（如白羽扇豆）积累约50 μmol g^?1根际土壤。本研究检测最大柠檬酸积累约20 nmol cm^?1根长在磷吸收潜能最高的根尖区，对应根际浓度0.133 μmol g^?1土壤，比报道有效柠檬酸浓度低近两个数量级。 Due to limited residence time (5 h) of growing root tips in a given soil volume, cumulative exudation over time would not be sufficient. 近期模型计算表明约730 nmol h^?1 cm^?1柠檬酸 efflux 速率对磷动员 critical，远超出本研究检测最大值。这些发现表明羧酸盐介导的磷动员可能在本研究调查的玉米植株磷获取中未起显著作用，至少在该发育阶段（99 DAS）。羧酸盐值 higher variability 显示处理间无显著差异，可能归因于晚期采样时间。

根系干生物量：苗期根系生长无磷肥类型差异，因植株磷 status 主要受种子磷储备影响。种子磷储备通常覆盖玉米植株磷需求约两周。根系干生物量仅品种在早期苗期（15 DAS, 一叶期）影响：Ricardinio显示比Stabil高28%根干生物量，表明Ricardinio可能有更大生物量/营养基库支持早期更高叶面积指数。种子磷储备耗尽后，磷肥或外源磷开始贡献玉米苗生长。因此34 DAS（二叶期）观察到磷肥与品种显著互作：施RP时，Ricardinio显示比Stabil高76%根干生物量，可能源于种子特性差异。

48 DAS（六叶期）仅磷肥类型影响P1根干生物量（p<0.05），DAP导致比RP高156%根干生物量。磷肥类型溶解度差异显然导致植物磷有效性 variation，从而限制植物生长。严重磷缺乏限制根生物量积累。灌浆期品种仅对根干生物量无影响，除Stabil在相邻植株间位置（P2）更高根干生物量（高129%），可能贡献于更大生物量和营养积累用于茎秆生长及生物量和营养再分配。

根系形态：六叶期根系生长抑制体现为根生物量、根长和RLD降低，尤其在种子正下方P1区RP供应植株 versus DAP处理。细根长度类似趋势。磷限制下 increased 苹果酸分泌可 facilitate 根尖铁动员。动员的Fe³⁺被质外体抗坏血酸还原。随后胞外铁沉淀由磷缺乏诱导铁氧化酶（LPR1, LPR2）关联ROS生产触发。 resulting 氧化胁迫诱导胞内胼胝质沉积，阻断分生组织碳供应，抑制根伸长，进而导致更高根毛密度和刺激侧根生长增强磷空间获取。

本研究中苹果酸对磷缺乏下适应性根系修饰的潜在效应通过苹果酸在根际土壤溶液中的主导性凸显，显示磷限制植株（RP供应）有更高 values 趋势。相应地，RP施肥对根干生物量、根长和RLD的抑制效应在灌浆期122 DAS消失，可能反映苹果酸分泌介导的磷缺乏植株侧根生长刺激，改善磷空间获取。品种特异性效应仅在与邻株间P2区观察到。与更高根生物量一致，Stabil显示比Ricardinio高54%根长、RLD和细根长度，有益于磷吸收。Stabil根系无磷肥类型差异的根长、细根长度或RLD差异。因此，Stabil以相对稳定根系，即使在磷限制下也能吸收更多营养支持茎秆生长，被表征为高产品种和高效磷利用者，通过高效根捕获土壤资源支持。相反，Ricardinio根系显示比Stabil更强根系形态响应磷缺乏。RP施肥导致Ricardinio在P2比DAP高89%根长、RLD和增加细根长度。然而，营养生长期磷缺乏诱导的茎秆生长抑制未在最终收获时被补偿。

根际土壤溶液中的植物激素：磷缺乏导致根尖ABA积累增加和细胞分裂素水平降低，抑制根伸长。同时， parallel to ABA增加， elevated IAA水平与ABA互作刺激根分枝，使植株适应磷缺乏条件。外源IAA显示增加根表面积、糖释放和酸性磷酸酶活性，从而增强磷缺乏下有机磷矿化。此外，JA通路响应磷缺乏激活，导致根中JA含量增加。在拟南芥中，这导致根系架构改变，使植株在低营养条件下 thrive through 增加根长。

如表3所示，磷肥类型和石灰施用对不同根区（冠根和尖端根）ABA分泌速率无显著影响。植物激素定量分析结果与植物根形态和根际有机酸阴离子在类似生长阶段（99 DAS, 2021）一致。土壤石灰施用（土壤pH从5.5增至6.2）增强豆科植物ABA信号以应对磷胁迫，因豆科相比玉米对磷缺乏表现出更高生理响应依赖性。然而，石灰施用对玉米茎秆生长差异远小于磷肥类型效应，即使在六叶期。值得注意的是植物激素如IAA、ABA、JA可由植物和土壤微生物（尤其根际植物根际促生细菌）产生。根际细菌介导植物激素状态， aiding 根生长和 facilitate 植物激素运输，帮助植株 withstand 胁迫。此阶段玉米根结构未变，磷移动不受不同根区影响，尽管各种有机酸阴离子分泌。类似浓度相应植物激素也在 bulk soil 样品中检测到。很可能检测到的植物激素由土壤微生物分泌。因此，早期植物根系的定量植物激素分析更有意义，但也需要精确采样定时和小心恢复根系生长条件。

结论：根系特征与未来展望

对磷获取关键的根系性状表现出显著变异。根生物量和分布、总根长和细根长度响应磷肥类型和玉米品种显著。相反，根区羧酸盐和植物激素浓度不受磷肥类型、品种和石灰施用影响。尽管如此，根际溶液在不同根区间的变异为选择磷高效品种和优化磷肥以提高PUE提供了关键见解。这些发现支持我们关于磷源影响根生物量和长度的空间分布以及根际代谢物在特定根位分泌以优化磷获取的假设。

然而，一些局限性和未来研究机遇被识别以进一步推动我们对低磷系统中磷动员和获取的理解。首先，本研究聚焦后期生长阶段，可能未完全捕捉早期生长阶段磷吸收关键时根系架构和分泌模式的动态变化。未来研究应调查早期生长阶段（如15 DAS, 30 DAS）根系架构性状（如根长、分枝、根毛密度）在控制条件下的角色。根系分泌物和根际代谢物 profiling 应扩展至包含其他潜在磷获取相关组分（如磷酸酶、独脚金内酯、黄酮、苯并恶唑啉酮等）及根际pH局部修饰。

其次，微生物群落（如丛枝菌根真菌和植物促生细菌真菌）在根际的角色未探索，可能显著影响磷获取和植物激素生产。第三，本研究仅比较RP和DAP。未来研究应评估替代磷源（如有机改良剂堆肥、粪肥和生物肥料植物促生微生物）在改善磷缺乏下PUE和根生长的有效性。

总之，尽管当前发现为根系架构和根际动力学在磷吸收中的角色提供了宝贵见解， addressing 识别出的局限性和追求提出的未来研究方向将增强我们对磷动员和获取的理解。这可能转而支持开发创新策略以改善低磷系统中PUE。