长期施钼提高土壤磷生物有效性的根际机制

Low available phosphorus in soil is the main factors limiting the efficiency of uptake and utilization to soil phosphorus pool. More and more researches focus on exploring the efficient way to improve the bioavailability of soil phosphorus in soil science. Based on the results of several years experiments of our research group，it has proved the bioavailability of soil phosphorus was increased due to the long term molybdenum fertilizer application. This project aims to explore the effects of long term molybdenum fertilizer application on soil phosphorus transformation characteristics, the effects of molybdenum regulated-root exudate components on the soil phosphorus transformation, and the effects of long term molybdenum fertilizer application on population structure of phosphate-solublizing microorganism，the genes and enzymes related to soil phosphorus-cycle in rhizosphere soil with 31P NMR, LC-MS, metagenomic sequencing and QPCR techniques. To explain the microbial response mechanism on how the long- term molybdenum application affects the phosphorus transformation characteristics in rhizosphere soil, the statistic models such as canonical correlation analysis, structural equation modeling are applied to analyze the relationships of the soil phosphorus transformation with root exudates, population structure of soil microorganism, soil phosphorus-cycle related genes and enzymes. The results will give a better understanding on the roles of molybdenum in soil phosphorus transformation and cycling, and give new insights on reducing the amount of phosphorus fertilizer application and improving the efficiency of uptake and utilization to soil phosphorus pool.

土壤磷的有效性低是作物高效吸收利用土壤磷库的主要障碍因子，探索提高土壤磷素生物有效性的途径一直是土壤学研究的热点问题之一。本课题组多年的试验结果发现，长期施钼可提高作物根际土壤磷素的生物有效性。本项目拟采用长期定位试验及根箱试验等手段，应用31P核磁共振、液质联用、宏基因组测序及荧光定量PCR等技术系统研究长期施钼对土壤磷素组成及转化特征的影响，钼调控下作物根系分泌物组成对土壤磷素转化的影响，长期施钼对根际土壤解磷微生物种群结构、磷循环功能基因及相关酶活性的影响。采用典型相关分析、结构方程模型等方法耦合分析根系分泌物组成、微生物种群、磷循环功能基因及相关土壤酶活性等参数与土壤磷素转化的关系，解析长期施钼通过根系分泌物、根际微生物及其互作对土壤磷素生物有效性的调控机制。研究结果不仅可更全面理解钼在土壤磷素转化与循环中的作用，还能为磷肥减施增效、促进土壤磷库的高效吸收利用提供新思路和科学认知。

土壤磷的有效性低是作物高效吸收利用土壤磷库的主要障碍因子，探索提高土壤磷素生物有效性的途径一直是土壤学研究的热点问题之一。本项目拟采用长期定位试验及根箱试验等手段，应用31P核磁共振、宏基因组测序及荧光定量PCR等技术系统研究长期施钼对土壤磷素组成及转化特征的影响及其调控机制，结果表明，长期施钼提高了小麦和蚕豆根际土壤有效磷含量，以小麦根际土壤有效磷含量上升幅度更大；核磁共振技术分析结果表明施钼处理蚕豆根际土壤中正磷酸盐和磷酸单脂含量分别提高了10.69%和31.34%。代谢组和转录组联合分析发现，施钼大豆主要通过对有机酸、酸性磷酸酶与质子分泌代谢等途径调控根际难溶性磷的活化。在难溶性无机磷活化方面，施钼主要通过对大豆根系GmMATE49、GmALMT7、GmALMT9、GmPMA8、GmPMA11的诱导表达，调控琥珀酸、GABA、对香豆酸、甲基丙二酸和质子的分泌，活化根际土壤磷酸铝、磷酸铁；在有机磷活化方面，施钼主要通过对大豆根系GmPAP18a、GmPAP26a、GmPAP27a的诱导表达，调控根系酸性磷酸酶分泌，进而活化根际土壤植酸磷；施钼对不同形态磷活化效果不同，施钼大豆对3种磷源利用效果为植酸-P>Al-P>Fe-P，对有机磷矿化作用大于难溶性无机磷。根际土壤微生物高通量测序结果表明，在1、3、5月份缺钼与施钼处理小麦根际土壤中细菌差异种群（biomarkers）分别为31、21、10个，而真菌差异种群（biomarkers）分别为24、20、28个；施钼增加了豆科及非豆科作物根际土和非根际土壤中酸性磷酸酶、碱性磷酸酶和植酸酶的活性，3-9月根际土壤中酸性磷酸酶、碱性磷酸酶和植酸酶活性平均上升幅度分别为45.28%、32.37%和66.94%，根际土壤中phoN、phoD和BBP基因表达量平均上升幅度分别为36.34%、19.14%和16.96%。结构方程模型（SEM）分析结果表明，施用钼肥可通过根系分泌物调节土壤pH、土壤真菌群落多样性等影响作物根际土壤磷有效性。研究结果不为全面理解钼在土壤磷素转化与循环中的作用，以及磷肥减施增效、促进土壤磷库的高效吸收利用提供新思路和科学认知。