PNAS | 研究揭示根际土壤中生物可利用磷的快速矿化机制！

陆地和水生生物的生长都受到磷（P）供应的调节，对全球粮食生产、生物多样性和大气中二氧化碳的减少都有影响。因此，全球磷循环在维持人类生存方面起着至关重要的作用，无论是现在还是将来，预测磷的限制将制约陆地植物生物量的刺激以应对大气中二氧化碳的升高。同样，在全球海洋的许多地区，海洋浮游植物的初级生产也受到低磷供应的限制，主要是无机磷酸盐（Pi）。在陆地和海洋生物群落中，总磷库的很大一部分由有机化合物组成，如膦酸盐、磷酰亚胺、磷二酯和磷三酯。通过初级生产者或其相关的微生物将有机磷再矿化为Pi，通过减轻P的饥饿来提高生产（Microbiome | 唐才贤团队揭示二氧化碳浓度升高改变小麦根际微生物组成和代谢以矿化有机磷！Trends in Microbiology | 真菌与植物宿主和土壤微生物交流的“磷语言”！）。然而，关于有机磷矿化酶的环境分布和不同微生物类群对这一过程的相对贡献的知识是有限的。这降低了我们预测人类活动引起的全球变化对海洋和土壤磷循环的影响、其与全球碳（C）循环的相互作用以及促进更有效的作物和动物生产的可持续农业工具发展的能力。

2022年2月1日，国际权威学术期刊PNAS发表了英国谢菲尔德大学Tim J. Daniell教授团队的最新相关研究成果，题为A widely distributed phosphate-insensitive phosphatase presents a route for rapid organophosphorus remineralization in the biosphere的研究论文。

从固定化有机磷中再生生物可利用的磷酸盐代表了全球磷循环中的一个关键过程，并且由磷酸酶促进。大多数细菌至少拥有三种具有广泛底物特异性的磷酸酶中的一种，称为PhoA、PhoX和PhoD，它们的活性在碱性条件下是最佳的。这些磷酸酶的产生和活性受到磷酸盐可利用性的限制。因此，它们只有在细菌遇到限制磷的生长条件时才能完全发挥作用。本研究揭示了一种以前被忽视的磷酸盐不敏感磷酸酶PafA，它在拟杆菌中普遍存在，在自然界中非常丰富，代表了环境磷酸盐再生的主要途径。使用来自Flavobacterium johnsoniae的酶表明PafA对磷酸单酯具有高度活性，在存在过量磷酸盐的情况下完全发挥作用，并且对于磷酸化碳水化合物作为唯一碳源的生长至关重要。PafA的这些独特特性可以通过利用丰富的有机磷底物作为C和P源来扩大拟杆菌的代谢生态位，从而在居住在微生物活动和营养需求高的区域时提供竞争优势。PafA由土壤和海洋黄杆菌组成性合成，可快速再矿化磷酸单酯，释放可被邻近细胞获取的生物可利用磷酸盐。pafA基因在植物根际高度多样化，在全球海洋中含量丰富，其表达与磷酸盐的可用性无关。因此，PafA是全球生物地球化学循环背景下的一种重要酶，在可持续农业中具有潜在应用。

总之，该研究解决了看似多余的 PME 对植物相关Flavobacterium 属中唯一 C、P 和能源的有机磷底物生长的贡献。PafA 作为一种高活性、对 Pi 不敏感的 PME 的出现促进了自然界中广泛存在的生物可利用 Pi 的快速矿化，揭示了全球 P 循环中的主要参与者。

图. 主要细菌碱性磷酸酶家族成员的系统发育和PME活性

图. 土壤、肠道和海洋微生物组中PafA和其他碱性PME的环境多样性

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