功能基因篇：一文带你了解磷循环功能基因 | 微生物专题

1、微生物磷养分循环

磷是所有生物群所必需的常量营养素，它的各种化学形式分布在整个土壤、岩石和水体中，磷被许多非生物和生物过程所利用的过程称为磷循环（表1）。在农业土壤中，大部分磷被固定为不可利用的无机和有机磷形式[1]，剩余的少量可用性磷不能满足微生物或植物生长的需要。因此，微生物在土壤磷循环和调节磷有效性中起着重要作用[2]。

在海洋中，微生物主要负责磷的同化和再矿化，包括最近发现的磷还原-氧化生物能量过程，这为海洋微生物的磷循环增加了新的复杂性。自然环境中的植物能吸收的有效磷（可溶性磷酸盐）主要来自于岩石淋溶侵蚀，同时在农业系统中有效磷的输入主要依赖于磷矿石化肥，绿肥及秸秆作为有机肥料是作物磷需求的重要的补充，而无论是土壤中无机磷的溶解还是有机磷的矿化，微生物都起着关键作用[3]。

表1 微生物磷养分循环关键酶及其功能

微生物磷养分循环主要过程包括微生物的磷活化（磷酸酯矿化、膦酸酯矿化、无机磷溶解）和磷吸收（膦酯及磷酸酯运输、无机磷酸盐运输）等[4]。含有无机磷溶解和有机磷矿化基因的微生物可以释放有机阴离子和酶从而溶解无机磷或有机磷，参与无机磷溶解的典型基因是对醌蛋白葡萄糖脱氢酶（PQQGDH）的编码基因，它直接支配着葡萄糖的氧化途径和周质空间的酸化过程[5]。此外，含有编码酶基因的微生物，如碱性磷酸酶（phoD和phpA）、植酸酶（appA）和碳磷裂解酶（phn），具有降解土壤中有机磷化合物的能力[6]。

相比之下，含有磷摄取和转运系统编码基因的微生物主要有 pst 和 pit 基因分别编码高亲和力和低亲和力转运体，可以分别在低磷和富磷条件下同化无机磷，这些基因能够驱动微生物有效地利用磷，并将磷固定到微生物的生物量中，因而在农业生态系统中微生物在一定程度上与植物竞争有效的磷；参与磷饥饿反应调控的基因（phoU、phoR和phoB）使微生物能够利用外部磷源，这些基因与参与磷摄取和转运的基因（如pst）密切相关，并控制碱性磷酸酶编码基因的表达[7]。

2、氮磷输入对磷养分循环的影响

土壤中输入氮和磷是维持土壤肥力和作物产量的重要措施，在全球农业生态系统氮和磷等营养素的输入迅速增加，改变了土壤中氮磷的比例及其他属性（如pH），导致土壤中微生物群落的大小、组成结构和影响氮磷循环的生物功能发生改变[8]。功能基因篇：一文带你了解氮循环功能基因 | 微生物专题中阐明了生态系统中氮循环中相应微生物的关键基因及功能。

迄今为止，大多数来自森林、短期田间试验或盆栽实验的发现表明，低磷条件有助于微生物的磷固定过程，Spohn等人报道种植年轻山毛榉树的磷充足土壤比缺乏磷的土壤的微生物磷吸收过程更快，富磷森林土壤中编码磷摄取和转运的基因（pst基因）的功能潜力低于贫磷森林土壤[9]。

另外，有研究报道，草生长14周后施磷肥降低了碱性磷酸酶（phoD）编码基因的丰度[10]。氮和磷元素具有相互作用，氮输入影响土壤中的磷转化过程，因为微生物的生长必须保持稳定的氮磷比。有报道称，氮的增加刺激了磷酸酶（如磷酸单酯酶和酸性磷酸酶）的活性或增加了参与磷溶性的基因的丰度[11]。然而，长期的氮输入可以降低土壤pH值，抑制微生物生长，改变微生物群落组成，从而降低磷的增溶能力；添加氮后，陆地生态系统中土壤不稳定磷或微生物生物量没有变化[12]。

此外，Ragot等人报道含有碱性磷酸酶编码基因的优势细菌群主要受土壤pH的影响，表明氮输入引起的pH变化可能改变微生物磷转化群落[13]。因此，了解长期氮磷输入下磷循环相关的基因分布、丰度和互作机制将从微生物基因的角度为可持续农业生态系统中磷循环提供新的视角。

图1 氮磷输入对土壤微生物组成及元素循环的影响

3、微生物磷循环研究案例

3.1

标  题：A comprehensive synthesis unveils the mysteries of phosphate-solubilizing microbes

期    刊：Biol Rev Camb Philos Soc

影响因子：10.256

发表时间：2021年7月

研究方案

土壤溶磷菌（PSMs）驱动了磷的生物地球化学循环，对提高植物利用土壤磷的效率和农业的可持续发展而言都有着非常重要的作用。作者通过系统分析发表于1981年至2017年的399篇文献中的实验数据，同时结合他们在全国范围内采集的367份土壤样品以及NCBI公共数据库中12986株原核微生物全基因组序列，首次对PSMs的生物地理学、总体多样性和应用潜力进行了系统探究。结果表明，不管是大陆尺度还是全球尺度，PSMs的种群密度与环境总磷浓度有关，而与pH值无关。PSMs的种群密度与土壤速效磷、硝态氮、溶解性有机碳之间存在显著正相关，这反映了PSMs和驱动碳、氮生物地球化学循环的微生物之间存在一定的功能耦合。

图2 中国土壤溶磷微生物（PSMs）的种群密度的主要影响因子

3.2

标  题：Divergent responses of phoD- and pqqC-harbouring bacterial communities across soil aggregates to long fertilization practices

期    刊：Soil & Tillage Research

影响因子：7.366

发表时间：2023年1月

研究方案

不同粒径土壤团聚体中的微生物群落组成不同，这对农业生态系统中的磷循环有显著影响。作者通过功能基因测序及分子生物学实验测定了3个团聚体粒径(> 250、63–250和< 63μm)中含有phoD和pqqC基因的细菌群落的丰度和组成。结果表明在phoD和pqqC的细菌群落中，> 250和< 63 µm团聚体分别显示出最低和最高的OTU累积相对丰度；对于phoD和pqqC基因共现网络，> 250和< 63 µm团聚体包含不同于63–250 µm的关键类群；在> 250 µm团聚体中，phoD和pqqC基因丰度由总氮（TN)驱动;该研究阐明了磷活化细菌群落在不同粒径团聚体间的分布特征，并确定了phoD和pqqC基因丰度的主要驱动因素，这有助于在微观尺度上更好地理解与磷循环相关的微生物过程。

图3 OTUs富集结果

3.3

标题：Arbuscular mycorrhizal fungi enhance plant phosphorus uptake through stimulating hyphosphere soil microbiome functional profiles for phosphorus turnover

期    刊：New Phytologist

影响因子：10.768

发表时间：2023年1月

研究方案

在自然和农田系统中，丛枝菌根（AM）真菌的根外菌丝定殖着不同的细菌，但AM真菌与菌丝际微生物组相互作用影响土壤有机磷活化的机制仍不清楚。作者通过16S rDNA测序和宏基因组测序研究土壤磷循环的微生物组成和功能特征，结果表明与土体土壤相比，AM真菌菌丝际形成了特定的土壤微生物组，并改变了土壤微生物组的磷转化功能；AM真菌招募了同时含多个gcd基因和phoD基因拷贝的物种，这协同驱动了菌丝际土壤中难溶性植酸盐的活化，改变了磷循环功能。该研究揭示了菌丝际微生物组的磷循环功能特征，有助于加深我们对菌丝际微生物互作和有机磷活化机制的认识。

图4 枝菌根真菌通过增强菌丝际微生物组的磷循环功能来提高植物磷吸收

4、参考文献

1. Rodríguez H, Fraga R. Phosphate solubilizing bacteria and their role in plant growth promotion. Biotechnol Adv. 1999;17:319–39.

2. Paul EA. Soil microbiology, ecology and biochemistry, 4th edn. London, NW1, UK: Academic press; 2014.

3.ZHANG S Y, ZHAO F J, SUN G X, SU J Q, YANG X R, LI H and ZHU Y G, 2015. Diversity and abundance of arsenic biotransformation genes in paddy soils from southern China. Environ Sci Technol, 49(7): 4138-4146. DOI: 10.1021/acs.est.5b00028

4.DAI Z, LIU G, CHEN H, CHEN C, WANG J, AI S, WEI D, LI D, MA B and TANG C, 2019. Long-term nutrient inputs shift soil microbial functional profiles of phosphorus cycling in diverse agroecosystems. The ISME Journal: 1-14.

5. Elias M, Tanaka M, Sakai M, Toyama H, Matsushita K, Adachi O, et al. C-terminal periplasmic domain of Escherichia coli quinoprotein glucose dehydrogenase transfers electrons to ubiquinone. J Biol Chem. 2001;276:48356–61

6.Rodríguez H, Fraga R, Gonzalez T, Bashan Y. Genetics of phosphate solubilization and its potential applications for improving

plant growth-promoting bacteria. Plant Soil. 2006;287:15–21.

7.Hsieh YJ, Wanner BL. Global regulation by the seven-component Pi signaling system. Curr Opin Microbiol. 2010;13:198–203.

8.Heuck C, Weig A, Spohn M. Soil microbial biomass C:N:P stoichiometry and microbial use oforganic phosphorus. Soil Biol

Biochem. 2015;85:119–29.

9.Spohn M, Zavišić A, Nassal P, Bergkemper F, Schulz S, Marhan S, et al. Temporal variations of phosphorus uptake by soil microbial biomass and young beech trees in two forest soils with contrasting phosphorus stocks. Soil Biol Biochem. 2018;117:191–202.

10.Ikoyi I, Fowler A, Schmalenberger A. One-time phosphate fertilizer application to grassland columns modififies the soil microbiota and limits its role in ecosystem services. Sci Total Environ.

2018;630:849–58.

11.Blanes M, Viñegla B, Salido M, Carreira J. Coupled soilavailability and tree-limitation nutritional shifts induced by N

deposition: insights from N to P relationships in Abies pinsapo forests. Plant Soil. 2013;366:67–81.

12.Deng Q, Hui D, Dennis S, Reddy KC. Responses of terrestrial ecosystem phosphorus cycling to nitrogen addition: a meta

analysis. Glob Ecol Biogeogr. 2017;26:713–28.

13.Ragot SA, Kertesz MA, Mészáros É, Frossard E, Bünemann EK. Soil phoD and phoX alkaline phosphatase gene diversity responds to multiple environmental factors. FEMS Microbiol Ecol. 2017;93:118–20.

14. Divergent responses of phoD- and pqqC-harbouring bacterial communities across soil aggregates to long fertilization practices

15.Li J T , Lu J L , Wang H Y , et al. A comprehensive synthesis unveils the mysteries of phosphate-solubilizing microbes[J]. Biological Reviews, 2021.

16.Arbuscular mycorrhizal fungi enhance plant phosphorus uptake through stimulating hyphosphere soil microbiome functional profiles for phosphorus turnover

相关阅读

点击下方图片进入云平台资料汇总：

所见即所得，绘图高规格联川云平台，让科研更自由