《Frontiers in Agronomy》：Soil-dependent effects of climate-adapted phosphate-solubilizing bacteria and salmon-bone nanohydroxyapatite on early maize phosphorus acquisition under controlled conditions
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磷（P）有效性仍是作物生产力的主要限制因素，提高回收磷肥的利用效率需要能够活化难溶性磷酸盐源的生物学策略。鲑鱼骨纳米羟基磷灰石（SnHAs）代表一种有前景的循环磷肥，但其农业有效性可能取决于根际中的微生物介导作用。本研究在受控条件下测试了从不同气候条件下长期农
磷（P）有效性仍是作物生产力的主要限制因素，提高回收磷肥的利用效率需要能够活化难溶性磷酸盐源的生物学策略。鲑鱼骨纳米羟基磷灰石（SnHAs）代表一种有前景的循环磷肥，但其农业有效性可能取决于根际中的微生物介导作用。本研究在受控条件下测试了从不同气候条件下长期农业生态系统中分离的土著溶磷细菌（PSB）联合体，在单独施用或与SnHAs组合施用时，是否能够改善玉米早期生长、磷营养及磷获取响应。研究共从地中海、大陆性及干旱土壤中获得59株土著PSB分离株，并对其分类学身份、溶磷能力、吲哚-3-乙酸产生能力、生物固氮能力及从SnHAs中定量释放磷的能力进行了表征。研究人员将筛选出的菌株组装成位点特异性联合体，并在施用或不施用SnHA肥料的相应土壤中接种于玉米种子。定量筛选揭示了菌株间从SnHAs中溶磷能力的显著差异，效率范围为4.8%至11.4%，最大可溶性磷释放量为34.5 mg L-1。在体内实验中，PSB接种在所有位点均增加了基质中的细菌生物量，在地中海、大陆性和干旱土壤中的增幅分别为47%、56%和155%。玉米响应表现出强烈的土壤依赖性：PSB接种和/或SnHA施肥主要提高了大陆性和干旱土壤中的生物量积累，而养分浓度响应则因器官和元素而异。根中ZmPHT1;1、ZmPHT1;2和ZmPHT1;6的表达仅在干旱土壤中显著上调，且该土壤中PSB接种与SnHA施肥的组合处理也提高了磷回收效率。上述发现表明，土著位点特异性PSB联合体可增强SnHAs的农业价值，尤其是在养分限制更为严格的土壤条件下，并强调了将本地适应性微生物资源与回收磷纳米肥料相结合用于玉米可持续磷管理的潜力。然而，该策略仍需田间验证。
**论文解读：气候适应性溶磷细菌与鲑鱼骨纳米羟基磷灰石对玉米磷获取的土壤依赖性协同效应**
**一、研究背景与科学问题**
磷（P）有效性是制约全球作物生产力的主要限制因素之一。在农业土壤中，磷酸根离子易通过吸附和沉淀反应被固定，而土壤总磷中有相当比例以有机形态存在，需经生物矿化后才能被植物吸收利用。因此，作物通常只能回收所施磷肥中的有限部分，导致磷利用效率低下，并在许多农业系统中造成难利用“遗留磷”（legacy P）的逐步积累。不同土壤类型中磷有效性的调控机制各异：酸性土壤中磷酸盐常被吸附于铁铝氧化物或被黏土矿物包裹，而碱性及钙质土壤中则易与钙形成难溶性磷酸盐矿物。与此同时，磷矿石为有限资源，地理分布集中且日益受到经济和地缘政治约束；过量施磷还会导致养分损失和淡水生态系统富营养化。因此，迫切需要能够活化难利用土壤磷并提高肥料效率的创新策略。
溶磷细菌（PSB）作为一种有前景的生物途径，可通过分泌有机酸和磷酸酶增加难溶性无机及有机磷库的可利用性。然而，微生物接种剂（直接接种或种子包衣）的农业表现往往不稳定，原因在于引入的外源菌株可能无法在田间条件下定殖和存续。相比之下，源自本地农业生态系统的土著微生物可能更好地适应位点特异性的环境条件，从而表现出更强的持久性和功能稳定性。长期农业试验（LTEs）因其群落经过数十年管理实践、施肥制度、作物轮作和耕作系统的塑造，是微生物多样性的宝贵储库。与此同时，纳米羟基磷灰石（nHA）作为一种可由鱼加工副产物等有机来源生产的磷酸钙材料，因其高表面反应活性和缓释养分特性而成为有前景的回收磷源。然而，nHA的农业有效性可能受限于其在中性及碱性土壤中的低溶解性。将nHA与PSB结合施用可能有助于克服这一限制。尽管人们对土著微生物接种剂和回收磷肥的兴趣日益增长，但对于适应不同农业气候条件的土著PSB联合体能否增强鱼源nHA的农业有效性，以及其与植物磷吸收机制的相互作用仍知之甚少。
**二、研究目标与假设**
本研究旨在确定适应不同农业气候条件的土著溶磷细菌联合体，单独施用或与鲑鱼骨来源纳米羟基磷灰石（SnHA）组合施用时，能否改善玉米生长和养分吸收。研究人员从位于干旱、大陆性和地中海地区的长期常规翻耕和免耕试验中分离土著PSB，在分子和功能表征后组装位点特异性联合体，评估其增强玉米生长和磷获取的能力。研究提出以下假设：（i）源自长期农业生态系统的土著PSB根据其农业气候来源表现出功能性状差异；（ii）位点特异性土著PSB联合体作为种子接种剂可增强玉米生长和养分吸收；（iii）土著PSB联合体与SnHA的组合施用通过互补和潜在协同的磷活化及有效性效应，比任一单独组分提供更大效益；（iv）土著PSB联合体和SnHA影响根中PHT1磷酸转运蛋白基因的表达，从而参与玉米磷获取途径的调控。
**三、关键技术方法**
研究人员从三个长期田间试验站点采集土壤样本：西班牙科尔多瓦（地中海气候，Med）、奥地利霍拉布伦（大陆性气候，Cont）和尼日尔尼亚美（干旱气候，Arid）。采用NBRIP培养基（以磷酸三钙为唯一不溶性磷源）分离土著溶磷细菌，共获得59株分离株。通过16S rRNA基因测序进行分子鉴定，并构建邻接法（Neighbour-Joining）系统发育树。评估了菌株的磷酸盐溶解指数（PSI）、吲哚-3-乙酸（IAA）产生能力及生物固氮能力。对20株高性能分离株进行了从SnHAs中定量溶磷能力的评估。基于分子鉴定和功能筛选，组装了三个位点特异性细菌联合体：Med联合体包含Sinorhizobium meliloti CT1、Priestia aryabhattai CT4和Arthrobacter oryzae ZT5；Cont联合体包含P. aryabhattai T4、Agromyces sp. T9和Priestia megaterium T14；Arid联合体包含P. aryabhattai AT2、Bacillus subtilis HC3和P. aryabhattai HC4。玉米种子采用羧甲基纤维素（CMC）作为粘合剂进行菌剂包衣。盆栽实验采用完全随机因子设计，包含细菌接种（不接种NB/接种B）和SnHA施肥（不施肥NFert/施肥Fert）两个因子，每个土壤类型四个重复，共48盆。植物在V3营养生长期收获，通过ICP-OES测定P、K、Ca、Fe和Zn浓度。采用qPCR定量基质中细菌16S rRNA基因拷贝数，通过RT-qPCR分析根中ZmPHT1;1、ZmPHT1;2和ZmPHT1;6的表达水平，以polyubiquitin为参考基因。
**四、主要研究结果**
**（一）土著PSB的分离与分子鉴定**
基于TCP培养基上晕圈形成，从三个农业气候区域共获得59株推定溶磷菌株：地中海站点12株、大陆性站点25株、干旱站点22株。鉴定结果显示，菌株归属于Sinorhizobium、Priestia、Pseudarthrobacter/Arthrobacter、Bacillus、Streptomyces和Agromyces等属，各气候站点间分类组成存在差异。多数序列一致性为99%至100%。
**（二）TCP上磷酸盐溶解的定性筛选及PGPR性状**
PSI值在各气候站点内菌株间存在显著差异，总体范围为1.0至2.2。Med站点PSI值范围1.0至1.4；Cont站点范围1.2至2.2，其中N6（PSI=2.2）、T12（PSI=2.0）和N10（PSI=1.8）最高；Arid站点范围1.0至1.2。IAA产量同样存在显著菌株间差异：Med站点以CT5（11.0 μg mL
-1）、CT7（10.9 μg mL
-1）和ZT3（10.1 μg mL
-1）最高；Cont站点以NT1（5.0 μg mL
-1）最高；Arid站点以HC12（13.4 μg mL
-1）和HC11（13.2 μg mL
-1）最高。生物固氮测试中，Med站点12株中10株、Cont站点25株中7株、Arid站点22株中9株呈阳性。
**（三）SnHAs中磷的定量溶解**
从SnHAs中溶解的磷量在各气候站点内菌株间差异显著。Med站点P溶解范围为总磷的4.8%至11.4%，ZT3菌株表现最佳（11.4%，对应34.5 mg P L
-1）。Cont站点范围为4.7%至7.6%，T4菌株最高（7.6%，对应15.5 mg P L
-1）。Arid站点范围为6.2%至6.4%，H4菌株最高（6.4%，对应10.9 mg P L
-1）。
**（四）玉米体内实验**
**1. 基质细菌生物量、玉米生长、磷浓度及其他养分浓度**
基质中细菌生物量（以16S rRNA基因拷贝数表示）在三个气候站点均受PSB接种显著影响，而SnHA施肥及交互效应不显著。接种引起的增幅以Arid站点最大（47%、56%和155%分别对应Med、Cont和Arid）。玉米生长响应因土壤而异：Med站点中，单独接种PSB或SnHA施肥使植株干重（PDW）增加超过20%，但联合未进一步增加；Cont站点中，PSB接种使叶干重（LDW）和茎干重（SDW）分别增加32%和37%，SnHA施肥使各器官生物量平均增加约30%，且两者联合使PDW较对照增加109%；Arid站点中，PSB接种使LDW和SDW分别增加24%和41%，SnHA施肥使LDW增加18%。磷浓度响应因气候站点和器官而异，通常伴随生物量增加出现稀释效应。K、Ca、Fe和Zn浓度也表现出站点和器官特异性的变化。
**2. 根中磷相关基因表达及磷利用与回收效率**
ZmPHT1;1、ZmPHT1;2和ZmPHT1;6的表达在Med和Cont站点未受处理显著影响。仅在Arid站点，三种磷酸转运蛋白基因的表达均被PSB接种、SnHA施肥及其组合显著上调，其中组合处理的增幅最大。磷利用效率（PUE）在三个站点均未受接种影响；磷回收效率（PRE）在Med和Cont站点未受影响，但在Arid站点接种显著提高了PRE。在不施SnHA条件下，三个土壤中均未检测到细菌接种对植物磷吸收的显著影响。
**五、讨论与结论**
**讨论部分总结：** 研究人员指出，本研究证明了从长期农业试验土壤中分离的土著PSB可组装为结合互补促生性状的位点特异性联合体。体外筛选证实所选菌株能够从SnHAs中活化磷，这是将其与回收磷纳米肥料结合的关键前提。玉米对接种和施肥的响应在三种土壤间差异显著，表明土壤背景是决定生物施肥策略效果的关键因素。大陆性和干旱土壤中响应更明显，而在Mediterranean土壤中响应有限，可能反映了其原生微生物群落更强的磷活化功能容量。SnHA与PSB联合施用在Arid土壤中表现出最强的协同效应，这与该土壤较低的初始微生物生物量有关。营养浓度变化中观察到的K、Ca、Fe、Zn降低可能源于生物量稀释效应及磷与微量元素的已知互作。根PHT1基因表达仅在Arid土壤中显著上调，表明高亲和力转运系统的激活主要发生在微生物活化回收磷对植物贡献最大的条件下。研究人员强调，微生物接种剂不应被视为通用产品，而应作为位点适应性技术加以开发，其表现取决于土壤理化性质、原生微生物群落和植物-微生物互作。
**研究结论翻译：** 总体而言，上述发现强调了三个关键原则。第一，SnHA代表一种通用的回收磷源，能够在不同土壤条件下支持玉米生长。第二，土著PSB是改善磷获取的宝贵生物资源，尤其是在土著微生物丰度较低的土壤中。第三，有效的生物施肥策略必须适应当地土壤条件，因为微生物接种的效益取决于土壤性质、原生微生物群落和植物养分需求之间的相互作用。研究结果支持采用位点特异性的生物施肥方法，并为开发旨在提高磷利用效率、同时在循环经济框架内促进鱼加工副产物增值的综合微生物-回收磷施肥策略提供了科学依据。从实践角度来看，土著PSB联合体与回收磷纳米肥料的组合代表了一种支持更可持续作物生产的有前景途径。尽管仍需进一步的田间验证，该策略有潜力为开发结合更高磷利用效率与更循环、资源节约型养分管理的位点适应性生物施肥方案做出贡献。未来研究应聚焦于长期田间验证、根际过程表征和微生物群落动态，以进一步优化综合纳米-生物施肥策略，提高农业系统中磷管理的可持续性。
