近日，云南大学植被结构功能与建造全国重点实验室，在Journal of Agricultural and Food Chemistry（中科院一区Top），以“Synergistic Interactions between Nitrogen Fixation and Phosphorus Uptake in Legumes: Insights from the Root Nodule Bacterium En1”为题发表最新成果。在全球草地退化、气候变化和不可持续的土地利用加剧的背景下，本研究发现的En1微生物介导的氮磷吸收策略为生态系统修复提供了可持续路径和技术途径，同时减少了对合成肥料的依赖，为修复以退化土壤和植被生态系统为目标的下一代生物肥料提供了见解。云南大学生态与环境学院徐云剑副教授为论文第一作者，陈哲副教授为通讯作者。

豆科牧草通过与根瘤菌形成共生关系获取氮素营养，促进牧草生长，同时还能提高土壤肥力，在陆地生态系统氮循环中发挥着关键作用。这种植物和土壤养分之间的互惠互利一直被认为是可持续农业与生态修复的基石，特别是在养分贫乏的草地种，氮限制严重制约了生产力，而共生固氮的效率本质上取决于豆科植物对磷（P）的可利用性。尽管氮磷之间的这种相互依存关系具有重要的生态意义，但其协同作用机制仍不清楚。目前的认识大多支离破碎，主要关注植物对双重养分限制的适应，而忽视了氮磷循环过程之间可能存在的微生物介导的相互作用。

云南大学植被结构功能与建造全国重点实验室，首先通过16S rRNA 测序，比较了三种豆科牧草（白三叶、紫花苜蓿和多花木兰）的根瘤、根际和非根际土壤中的细菌群落，结果发现虽然根瘤中的细菌多样性降低，但与土壤中的核心微生物（包括剑菌属_Ensifer_）有共同的类群（图1和2）。作者进一步从三种牧草的根瘤中分离出676株内生菌（图3），其中一株 Ensifer 菌株（En1），基因组分析显示其具有特定的固氮和磷吸收基因（图3和4），接着对该菌株进行功能验证，发现En1 能够溶解和矿化磷，以植酸钙和磷酸钙的形态为主（图4）。进一步的菌株接种实验再次证实了 En1 能够增强多种豆科牧草对磷的吸收（图5）。研究结果表明，固氮根瘤菌能够直接促进磷的吸收，从而在豆科植物与微生物的共生关系中建立一个自我维持的氮磷共供系统，为同时解决氮和磷限制的草地恢复提供了一种新策略。

图1不同的豆科植物表现出差异性的根瘤和细菌多样性。（A）白三叶、紫花苜蓿和多花木兰的根瘤形态；（B）根瘤、根际土和非根际土的细菌α多样性。

图2 白三叶、紫花苜蓿和多花木蓝的根瘤中共有并富集的细菌。（A）白三叶、紫花苜蓿和多花木兰根瘤中共有的细菌；（B）与根际和非根际土壤相比，根瘤中富集的细菌。

图3 根瘤细菌的分离与测序分析。（A）根瘤细菌的分析、鉴定、基因组测序及功能鉴定流程图；（B）根瘤细菌在属水平上的分布，百分比代表某种分离细菌属的分离株数与根瘤中所有细菌属分离总株数的比例；（C）_Ensifer_的系统发育分析。

图4. 与氮和磷循环相关的En1功能基因分析。（A）En1的基因组；（B）在 En1 基因组中鉴定出的与磷代谢相关的关键基因和通路；（C）在 En1 基因组中鉴定出的与固氮相关的关键基因和通路；（D）En1 参与有机磷矿化（植酸钙）和无机磷溶解（磷酸钙）的功能鉴定，其中R2A 为正常培养基，假单胞菌属为无磷矿化和无机磷溶解功能的阴性对照；（E）En1 在磷溶解培养基中的生长曲线，星号表示在同时含有植酸钙和磷酸钙的培养基中 En1 生长的显著差异。

图5 En1菌株接种验证试验，增加了多种豆科牧草的磷含量。（A）白三叶、紫云英、大豆、苜蓿的单作，接种根瘤菌或 En1 + 根瘤菌；（B）A中每株植物的磷含量；（C）白三叶、紫云英、大豆、苜蓿混播，接种根瘤菌或 En1 + 根瘤菌；（D）C中每株植物的磷含量。

研究通过证明固氮根瘤菌作为养分循环中心，重新定义了我们对豆科植物-微生物共生关系的概念框架（图6）。根瘤菌En1具有溶磷和矿化的遗传潜力，其基因组中存在phn A和ppx等关键基因(图4B )。这种遗传能力在体外实验中得到了功能验证，证明了其对无机磷的有效溶解能力和对有机磷(图4D , E)的矿化能力。当接种共生根瘤菌时，En1可能会提高根际或根瘤微环境中磷的生物有效性。这种活动随后导致植物磷含量的显著增加(图5 )。这一证据链从遗传潜力到体外功能，最后到植物表型，支持了固氮根瘤菌可以直接促进磷转化的机制，建立了一个自我强化的N - P共供应系统。在全球草地退化、气候变化和不可持续的土地利用加剧的背景下，本研究发现的En1微生物介导的氮磷吸收策略为生态系统修复提供了可持续路径和技术途径，同时减少了对合成肥料的依赖，为修复以退化土壤和植被生态系统为目标的下一代生物肥料提供了见解。未来的研究应侧重于破译这种氮 -磷交叉对话的分子机制，并将这些相互作用从实验室扩展到田间应用。

图 6. En1 促进牧草生长的机制。

相关成果以“Synergistic Interactions between Nitrogen Fixation and Phosphorus Uptake in Legumes: Insights from the Root Nodule Bacterium En1”为题于近日发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry（中科院一区Top）上。云南大学生态与环境学院徐云剑副教授为论文第一作者，陈哲副教授为通讯作者；云南省草地动物科学研究院张美艳研究员、云南大学硕士研究生张富兰、陈鑫参与了该项工作。本研究得到云南大学植被结构功能与建造全国重点实验室、国家自然科学基金项目（32471724, 32101358, 32471750, W2412127）、云南省科技计划项目（202401AS070134, 202303AC100009, 202401AT070434）等的资助。