低磷条件下玉米/紫花苜蓿间作通过重塑根际细菌群落和代谢组促进养分吸收

《Applied Soil Ecology》：Maize/alfalfa intercropping promotes nutrient uptake under low-phosphorus level by reshaping rhizosphere bacterial communities and metabolome

　　

摘要

粮食作物与豆科作物间作是改善贫瘠区域作物产量和资源效率的重要策略。然而，不同磷（P）水平下间作对植物生长、根际细菌群落的养分吸收以及相关代谢过程的影响尚未得到充分认识。我们开展了一个盆栽试验，研究了磷水平（50和200 mg kg?1）和种植模式（单作玉米、单作紫花苜蓿、间作玉米/紫花苜蓿）对植物生长、根际土壤细菌群落和代谢组的影响。结果表明，在低磷条件下，间作增加了根生物量和植株氮、磷含量，但减少了两种作物的地上部生物量，玉米成为最有效的间作作物。相反，在高磷条件下，间作增加了紫花苜蓿的地上部生物量，但减少了玉米的地上部生物量，紫花苜蓿成为最有效的间作作物。施磷和间作均能改变根际细菌组成和土壤代谢组，并增强共存网络的稳定性。在低磷条件下，间作主要影响磷活化途径（如柠檬酸循环），细菌群落与土壤磷酸酶和有机酸显著相关。在高磷条件下，溶解性有机碳（DOC）是与细菌群落变化强烈相关的优势因子，代谢途径转向嘧啶代谢。总体而言，本研究揭示了玉米/紫花苜蓿间作和施磷可通过重塑根际细菌群落和代谢功能来优化植物生长和养分吸收，为贫瘠土壤中的养分利用效率提供了新的见解。

引言

作物间作可以提高土地和养分利用效率，增加单位面积产量，减少环境足迹，并提供多种生态系统服务，是保障粮食安全的良方（Furey and Tilman, 2021）。玉米（Zea mays L.）是一种重要的年度粮食作物，而紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是一种优良的多年生豆科牧草作物，被广泛认可能够通过生物固氮改善土壤肥力（Wan et al., 2021; Xu et al., 2022）。与单作作物相比，玉米和紫花苜蓿间作不仅能够通过改变根系分布范围来增强地下空间生态位，还能够充分利用光照和温度资源，同时获得玉米产量和紫花苜蓿饲草（Fan et al., 2016; Xu et al., 2022）。此外，玉米/紫花苜蓿间作可以提高玉米产量和品质，并增加氮（N）和磷（P）等养分的利用效率（Shao et al., 2021; Xu et al., 2022）。因此，玉米/紫花苜蓿间作具有广阔的应用前景，特别是在需要调整种植结构以实现农业和可持续发展的农牧交错区。然而，由于多年生作物建立缓慢且首年生产力低，通常会面临生长迅速的年作物的激烈早期竞争。为了缓解这种不对称竞争并促进互补生长，必须进行时间上的策略管理，如错期播种等（Wang et al., 2023a）。

土壤磷缺乏常常限制植物生长，是农业生产的重要限制因子。由于磷与土壤矿物质的强吸附作用，许多土壤中的磷有效性较差，磷肥的利用效率通常很低（Lambers, 2022）。为了增加作物产量，农民往往施用大量磷肥。然而，过量施用磷肥不仅增加了农业生产成本，还损害了环境并影响人类健康，同时加剧了磷矿石资源的枯竭（Cordell et al., 2009; Zhang et al., 2013; Chen et al., 2022a）。提高磷肥利用效率具有重要意义。粮食作物与豆科作物间作可以促进农业生态系统中土壤磷的利用，已在许多地区广泛实践（Tang et al., 2021）。研究表明，与单作玉米或紫花苜蓿相比，无论是否施用磷肥，玉米/紫花苜蓿间作均显著增加了作物总磷吸收量和总产量，且施用磷肥时增加幅度高于未施用磷肥时（Sun et al., 2019）。

在间作系统中，地下相互作用对资源获取和植物生长至关重要（Cappelli et al., 2022; Yu et al., 2022）。根际环境在磷形态转化和磷生物有效性方面发挥着关键作用，同时也影响作物的磷利用效率（Lambers, 2022）。在磷缺乏的粮食作物/豆科作物间作系统中，由根系分泌物直接驱动的磷活化是种间促进和产量增加的重要机制（Li et al., 2007）。根系分泌物（如质子、羧酸盐、磷酸酶等）可通过不同途径活化磷，包括酸化、螯合、酶反应等（Pang et al., 2018; Chen et al., 2022b）。在磷缺乏的土壤中，紫花苜蓿根系通常分泌大量质子、羧酸盐和磷酸酶（He et al., 2020; Su et al., 2022）。豆科作物通常比粮食作物具有更强的磷活化能力，在粮食作物/豆科作物间作系统中，粮食作物可以受益于豆科作物根系分泌物活化的磷（Li et al., 2007; Zhang et al., 2020）。在低磷土壤中，紫花苜蓿根系分泌的羧酸盐和酸性磷酸酶比玉米多，显示出更强的土壤磷活化能力（Wang et al., 2020a）。在玉米/紫花苜蓿系统中，间作紫花苜蓿根系分泌的羧酸盐比单作紫花苜蓿多，紫花苜蓿的根系分泌物增加了土壤磷的有效性，部分促进了邻近玉米的植物生长和磷获取（Wang et al., 2020b）。在一项田间试验中，间作玉米和紫花苜蓿的根际pH值更低，根系释放的羧酸盐更多，酸性磷酸酶活性更高，这些根系分泌物的变化显著增加了间作玉米和紫花苜蓿根际的磷有效性，其中pH值和羧酸盐的贡献最大（Sun et al., 2020）。此外，丛枝菌根真菌（AMF）与植物形成共生关系，其定殖可以影响玉米根系分泌物中各种化合物的含量，并增加玉米根际酶活性，从而提高氮和磷的获取，促进可持续农业系统的发展（Spohn et al., 2020; Li et al., 2026）。

根系分泌物是驱动微生物在根际富集、增殖和互作的关键因素（Haichar et al., 2014; Zhalnina et al., 2018）。土壤微生物在磷转化中发挥着重要作用，根系分泌物可能通过调节根际微生物群落和促进地下促进性互作来间接影响植物的磷获取（Yu et al., 2021）。此外，有机酸、酚酸、黄酮类、独脚金内酯和一些挥发物等根系分泌物可能是调节根-微生物互作和微生物基因表达的信号物质，某些信号物质可能有助于有益微生物的根系定殖（Li et al., 2016; Venturi and Keel, 2016）。不同作物具有特定的根系分泌物，其根际微生物群落也各不相同（Sasse et al., 2018; Kaloterakis et al., 2024）。根际微生物组被认为是植物的"第二基因组"，在植物健康和作物生产中发挥着重要作用（Berendsen et al., 2012; de Vries et al., 2020）。间作作物的根际微生物多样性和活性往往高于单作作物，间作对优势和非优势土壤细菌群体具有显著的短期效应（Liu et al., 2022），土壤微生物群落组成的变化可能影响间作对生产力的正向效应（Stefan et al., 2021）。

根际微生物组在土壤磷活化中发挥着双重作用，既通过微生物途径直接驱动，也通过调节根系分泌间接驱动。因此，根际微生物组和根系代谢物构成了两个相互关联的关键因子，共同调控植物生长（Korenblum et al., 2022）。除了影响根际养分有效性外，根际微生物组还可能通过影响激素（如植物激素生长素）和其他信号物质来调节植物生长（Liu et al., 2016; Li et al., 2021）。然而，需要注意的是，根系分泌物一旦释放到土壤中，就可能被根际微生物迅速消耗和修饰，然后由微生物自身释放到土壤中。根际代谢组主要由根系分泌物决定，包含初级和次级植物代谢物，以及微生物释放的代谢物和植物及微生物代谢物的分解产物（Zhang et al., 2017; Jacoby et al., 2021）。根系分泌物受多种因素影响，包括植物种类和发育阶段、根系生理、土壤类型和养分有效性等，因此，由根系分泌物调节的根际微生物组和代谢组也呈现多样化（Bai et al., 2022; Sasse et al., 2018）。根际成员之间的代谢物交换在植物-土壤-微生物互作中发挥着重要作用（Korenblum et al., 2022）。根际微生物组的结构和功能可能由"关键代谢物"控制，根际微生物还可能通过代谢互作协同促进植物生长和增强植物的胁迫耐受性，从而在特定情况下对农业生产力产生显著影响（Dahlstrom et al., 2020; Sun et al., 2022）。

许多研究已探讨了施磷和间作对根系分泌物和植物磷获取的影响。例如，Jiang等（2024）的田间数据表明，玉米间作土壤的微生物多样性和代谢化学多样性高于玉米单作。一项盆栽试验证实，外源供应包含间作富集的关键成分的代谢混合物显著提高了生物量和植物氮、磷含量。Cheng等（2022）的研究揭示，施磷显著改变了土壤代谢谱，所识别的差异代谢物显著富集于七个主要代谢途径中。然而，目前仍缺乏在施磷和间作效应下同时对根际代谢组和微生物组进行表征的研究。在本研究中，我们进行了温室盆栽试验，在不同磷水平下将玉米和紫花苜蓿进行单作或间作，旨在研究施磷和间作对植物生长和磷获取、根际细菌群落和代谢组的影响，识别关键根际细菌和代谢物并探索它们之间的关系，以及研究它们如何促进玉米/紫花苜蓿间作系统中植物的磷获取。我们假设：1）间作会增加植物的磷获取和生物量，且在低磷土壤中的增加更为显著；2）施磷和间作均不会显著改变物种丰富度，但都会显著重塑微生物群落结构；3）施磷和间作均会影响根际代谢物，并改变土壤细菌群落与代谢物之间的共生关系。

节选片段

实验设计与设置

盆栽试验所用的黄土来自陕西省安塞县（34°51′30″N, 109°19′23″E）。采集后，土壤自然风干并通过2 mm筛。该土壤持水率为33%，pH为8.7，全氮（N）、磷（P）和钾（K）浓度分别为96 mg kg?1、490 mg kg?1和1.6 g kg?1。直径16 cm、高21 cm的聚氯乙烯（PVC）管作为盆栽容器。

植物生长、氮磷营养状况

玉米和紫花苜蓿的单株地上部干物质均显著受土壤磷水平和种植模式的影响，同时也受土壤磷水平与种植模式交互作用的影响（P < 0.005）（图1a；表S1）。在单作玉米（MM）中，高磷（HP）处理下玉米的单株地上部干物质显著高于低磷（LP）处理157%，但在间作玉米（IM）中，高磷处理下显著低于低磷处理21%；在低磷条件下，间作玉米（IM）的单株地上部干物质显著高于单作紫花苜蓿（MA）143%，但在高磷条件下显著低于……

讨论

本研究发现，施磷和间作均能增强地下部生物量和植物氮、磷含量，与我们的先前研究结果一致（Su et al., 2022; Zhao et al., 2025）。一些研究表明，粮食作物与豆科作物间作是在磷供应减少条件下维持植物生长和磷吸收的有效策略（Cu et al., 2005; Hinsinger et al., 2011; Du et al., 2018）。低磷土壤中的间作系统可以进一步刺激分泌……

结论

本研究表明，在低磷条件下，间作增加了玉米和紫花苜蓿的根生物量及植株氮、磷含量，证实了其在养分受限环境中的有益作用。

在HP条件下，间作提高了苜蓿的地上生物量，以及玉米的地上部氮（N）和磷（P）含量，但降低了玉米的地上生物量。土地当量比（LER）始终大于1；然而，每种作物的相对贡献随磷供应量的不同而有所差异：玉米贡献更大。

作者贡献声明
Le Zhao：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿、方法论、调查研究、正式分析、数据管理、概念化。
Mingjuan Jin：撰写—审阅与编辑。
Honghua He：撰写—审阅与编辑、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本工作得到中国内蒙古自治区重点研发计划（2022YFHH0038）和中国国家重点研发计划（2021YFD1900700）的资助。

Le Zhao | Mingjuan Jin | Honghua He
西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌，712100，中国