《Industrial Crops and Products》：Multi-omics reveal dual phosphate-solubilizing mechanisms in sugarcane: bacterial gluconic acid secretion and host flavonoid modulation
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磷（Phosphorus）是生物体必需的营养元素，参与信号转导、氧化还原稳态、核酸合成与修复、细胞增殖分化及程序性细胞死亡等关键生理过程的调控。土壤中的磷主要以植物难以直接吸收利用的化合物和矿物形式存在。虽然土壤全磷含量较高，但其有效性较低。目前广泛采用的施磷
磷（Phosphorus）是生物体必需的营养元素，参与信号转导、氧化还原稳态、核酸合成与修复、细胞增殖分化及程序性细胞死亡等关键生理过程的调控。土壤中的磷主要以植物难以直接吸收利用的化合物和矿物形式存在。虽然土壤全磷含量较高，但其有效性较低。目前广泛采用的施磷肥策略虽能在短期内缓解植物磷需求，但所施磷肥的有效利用率不足10%，未利用的磷酸盐易与钙离子（Ca2+）、铁离子（Fe3+）和铝离子（Al3+）等金属离子结合形成不溶性复合物。部分此类化合物经降雨径流进入河流，导致土壤板结和水体富营养化等环境问题。仅依赖施磷肥不足以解决土壤磷缺乏问题，反而可能造成严重的生态破坏。提高土壤中不溶性磷向可溶性形态的转化是缓解土壤磷限制的关键。
甘蔗是重要的糖料和能源作物，需磷量较大，施磷肥广泛，且多数甘蔗种植区以酸性红壤为主。在此类土壤中，铁和铝氧化物易通过形成不溶性磷酸盐固定磷，导致土壤有效磷（available phosphorus，AP）水平低，甘蔗生产中的磷利用效率降低。微生物在全球磷循环中发挥重要作用，根际微生物是土壤有机磷和无机磷转化的关键驱动因子。解磷微生物（phosphate-solubilizing microorganisms，PSMs）是土壤磷循环的重要组成部分，在改善植物磷利用效率方面发挥重要作用。PSMs所携带的glt和ppa等功能基因调控有机酸（如柠檬酸和葡萄糖酸）及质子（H+）的产生，从而促进无机磷向植物易吸收的正磷酸盐转化。此外，PSMs通过phoD、phoA和phnX等基因编码的水解酶（包括磷酸酶和植酸酶）矿化有机磷。然而，现有研究主要聚焦于微生物–土壤或植物–土壤互作，很少涉及植物对微生物接种的响应机制。
随着多组学技术的快速发展，整合分析策略已被广泛应用于阐明植物–微生物互作的分子机制。在整合转录组学和代谢组学分析中，差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs）与差异积累代谢物（differentially accumulated metabolites，DAMs）的关联分析能够在基因调控水平和下游代谢表型层面表征生物体内的动态模式，从而阐明潜在的生物学机制。本研究旨在整合多组学方法，分析磷胁迫下甘蔗的基因表达模式和代谢变化，并结合根际微生物组分析与关键解磷菌（phosphate-solubilizing bacteria，PSB）的基因组信息，揭示微生物调控甘蔗磷吸收的内在机制。
本研究围绕以下核心科学问题展开：（1）在高磷和低磷条件下，甘蔗根际微生物组中关键功能群的组成和分布如何？（2）可培养根际PSMs对宿主磷代谢相关生理生化过程的调控效应如何？（3）接种关键PSB后，甘蔗根际微环境在物理、化学和生物维度的响应特征如何？本研究为PSMs在甘蔗生产中的精准应用提供了理论基础，并为提高作物磷利用效率、促进农业可持续发展提供了新视角。
一、研究背景与科学问题
磷是植物生长发育所必需的营养元素，但土壤中磷主要以植物难以直接吸收的形态存在。虽然土壤全磷含量通常较高，但有效磷（available phosphorus，AP）水平较低，所施磷肥的有效利用率不足10%。未利用的磷酸盐易与钙、铁、铝等金属离子结合形成不溶性复合物，部分经降雨径流进入水体，导致土壤板结和水体富营养化等环境问题。甘蔗作为重要的糖料和能源作物，需磷量大，且多数种植区为酸性红壤，铁铝氧化物易固定磷，导致磷利用效率低下。解磷微生物（phosphate-solubilizing microorganisms，PSMs）可将不溶性磷转化为可溶性形态，是改善植物磷营养的重要生物资源。然而，现有研究多聚焦于微生物–土壤或植物–土壤互作，对植物响应微生物接种的分子机制研究不足。为此，研究人员提出三个核心科学问题：高磷与低磷条件下甘蔗根际微生物组关键功能群的组成分布；可培养根际PSMs对宿主磷代谢的调控效应；接种关键解磷菌（phosphate-solubilizing bacteria，PSB）后根际微环境的多维度响应特征。
二、研究内容与主要结论
研究人员以甘蔗品种‘桂糖42’为材料，通过盆栽试验设置不施磷（LP）和施磷（NP）处理，分析根际土壤和根系细菌群落结构，发现γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）和伯克霍尔德氏菌目（Burkholderiales）在施磷条件下显著富集。从甘蔗根际土壤中分离获得21株解磷细菌，筛选出高效菌株Y2（Burkholderia seminalis）和Y20（Pantoea sp.）。溶血试验表明Y2具有溶血性，故选用安全性更佳的Y20进行后续试验。Y20在含磷酸钙、植酸钙和磷酸铝的培养基中均能释放可溶性磷，其中以葡萄糖酸为主要有机酸（10.64 mg/mL）。进一步设置四个处理：对照（P0Y0）、接种Y20不施磷（P0Y1）、施50%磷不接种（P1Y0）、接种Y20并施50%磷（P1Y1），开展转录组、代谢组、根际微生物组和全基因组测序分析。结果表明，Y20接种显著提高甘蔗株高（22.9%）和地上部磷含量（27.2%），增加土壤酸性磷酸酶和植酸酶活性，提高树脂磷和碳酸氢钠提取无机磷组分，并富集Streptomyces等有益微生物。转录组和代谢组联合分析显示，类黄酮生物合成途径是甘蔗响应Y20接种的核心通路，CHS、CHI和CYP75B1等基因显著上调，根皮苷（phloretin）和黄颜木素（fustin）等代谢物显著积累。全基因组分析表明，Y20基因组大小为4.98 Mb，含一条染色体和两个质粒，携带89个与有机酸代谢和磷代谢相关的基因，包括pqqBCDE、gdh、ppa、pstABC、pho调控系统等，构成“有机酸溶磷–磷酸酶矿化–转运调控”的多途径协同解磷网络。
三、关键技术与方法
研究人员采用以下主要技术方法：基于16S rRNA基因扩增子测序（V4区用于土壤样本、V5–V7区用于根系样本）结合QIIME2和LEfSe分析进行根际微生物群落组成与差异分析；通过稀释涂布平板法分离PSB，采用钼蓝比色法测定可溶性磷含量，利用高效液相色谱（HPLC）分析有机酸组成；对甘蔗根系进行转录组测序（Illumina NovaSeq平台）和基于液相色谱–质谱联用（LC–MS）的代谢组分析，分别采用DESeq2和正交偏最小二乘判别分析鉴定差异表达基因（DEGs）和差异积累代谢物（DAMs）；采用PacBio和Illumina PE150混合策略进行Y20全基因组测序，结合KEGG数据库进行功能注释；通过土壤理化性质测定、土壤磷分级和酶活性分析评估根际微环境变化。
四、研究结果
（一）低磷与高磷条件下甘蔗根系和根际细菌组成
16S rRNA扩增子测序显示，施磷处理下根际土壤和根系中γ-变形菌纲和伯克霍尔德氏菌目相对丰度显著增加，分别较不施磷处理提高91.8%和126.9%（根际土壤）及166.6%和170.9%（根系）。LEfSe分析确认γ-变形菌纲（LDA评分4.52/4.79）和伯克霍尔德氏菌目（LDA评分4.51/4.48）为高磷条件下的生物标志物。
（二）甘蔗根际PSB的鉴定与解磷特性
从根际土壤分离获得21株PSB，其中Y2（Burkholderia seminalis）和Y20（Pantoea sp.）解磷能力最强。两株菌均能利用磷酸钙、植酸钙和磷酸铝释放可溶性磷，其中对植酸钙的溶解能力最强。葡萄糖酸是两株菌分泌的主要有机酸，Y20在磷酸钙培养基中分泌的酸性磷酸酶（ACP，164.95 μmol/L·h）和碱性磷酸酶（ALP，185.91 μmol/L·h）活性高于Y2。
（三）不同接种处理下甘蔗的转录和代谢响应
转录组测序共获得76.39 Gb清洁数据，P1Y1处理较P0Y0有32,006个DEGs，为各组最多。主成分分析显示四个处理组明显分离。代谢组分析中PC1解释23.8%变异。联合KEGG富集分析表明，无论施磷与否，类黄酮生物合成通路均在接种后显著富集。
（四）施磷条件下Y20对类黄酮生物合成DEGs和DAMs的影响
施磷条件下，Y20接种后鉴定到8种类黄酮生物合成相关DAMs，其中黄颜木素、紫铆因、芹菜素、二氢山柰酚、儿茶素和根皮苷含量增加，山柰酚和木犀草素含量降低。CHS、CHI、CYP75B1、二氢黄酮醇4-还原酶、CYP93G1和CYP75A基因上调，莽草酸O-羟基肉桂酰转移酶基因下调。P0Y1处理中根皮苷和黄颜木素大量积累。
（五）PSB Y20改善根际环境并提高地上部磷含量
与P0Y0相比，P0Y1处理显著提高根际土壤植酸酶（12.3%）和酸性磷酸酶（9.5%）活性，地上部磷含量提高27.2%，株高增加22.9%。磷分级显示Y20接种显著增加树脂磷和碳酸氢钠提取无机磷组分。接种后Streptomyces成为优势属，显著改变土壤细菌群落结构。
（六）菌株Y20的基因组分析与系统发育位置
Y20基因组大小为4.98 Mb，含一条染色体（4.03 Mb）和两个质粒（0.75 Mb和0.20 Mb），GC含量54.71%，含4634个编码序列、22个tRNA基因和77个rRNA基因。KEGG注释获得3841个基因，其中89个与有机酸代谢和磷代谢相关。基于31个持家基因构建的系统发育树确认Y20属于Pantoea属。
五、讨论与结论
研究发现，Y20通过分泌葡萄糖酸溶解不溶性无机磷，并通过磷酸酶和植酸酶矿化有机磷，同时携带完整的磷循环基因簇，包括无机磷溶解基因（ppa、glt）、有机磷矿化基因（phn）、磷转运基因（pst）和磷饥饿调控基因（pho）等，构成多途径协同解磷网络。Y20接种激活甘蔗类黄酮生物合成通路，上调CHS、CHI和CYP75B1等基因，促进根皮苷和黄颜木素积累，这可能通过抑制有机酸降解、延长有机酸保留时间、调节根尖生长素水平等机制协同增强土壤磷活化效率。接种Y20还改善根际微环境，提高土壤酸性磷酸酶活性和有机质含量，富集Streptomyces、Lechevalieria和Mycobacterium等有益微生物。研究结论表明，Y20通过三条途径促进甘蔗磷吸收：（1）溶解土壤不溶性磷并转化为植物可利用形态；（2）改善根际土壤微环境，提高酸性磷酸酶活性、土壤有机质含量和有效磷水平，增强促生菌丰度；（3）通过调控类黄酮生物合成参与甘蔗根际磷转化过程。根际土壤理化性质的变化与植物磷含量、转录组和代谢组谱的改变共同构成甘蔗磷利用效率提高的关键机制。该研究为PSB在甘蔗生产中的精准应用提供了理论基础，为改善作物磷利用效率和促进农业可持续发展提供了新视角。
