原名：Alkaline phosphatase activity mediates soil organic phosphorus

mineralization in a subalpine forest ecosystem.

譯名：堿性磷酸酶活性調(diào)控亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機磷礦化

作者：Jiabao Li，et al.

期刊：Geoderma

發(fā)表時間：2021.06

一、關(guān)鍵詞

磷礦化；堿性磷酸酶；酸性磷酸酶； 磷有效性；phoD相關(guān)細(xì)菌群落。

二、研究主題和背景

（1）背景：微生物在土壤有機磷礦化中起著至關(guān)重要的作用。然而，在亞高山森林中，微生物和環(huán)境特征如何介導(dǎo)這一過程仍然是未知的。

（2）主題：本研究以青藏高原貢嘎山沿海拔梯度的暗針葉林為研究對象，綜合研究了堿性磷酸酶(ALP)和酸性磷酸酶（ACP）活性對土壤磷有效性的影響，探討了兩種磷酸酶活性的微生物和環(huán)境驅(qū)動因素。

三、科學(xué)問題或科學(xué)假說

（1）科學(xué)問題：酸性和堿性磷酸酶對土壤P有效性有什么影響？這兩種磷酸酶活性的環(huán)境和微生物作用機制？?

（2）科學(xué)假說：

A.?堿性磷酸酶（ALP）對亞高山森林土壤中磷的有效性具有重要的調(diào)節(jié)作用。

B.?堿性磷酸酶活性與酸性磷酸酶相似，主要受土壤TN調(diào)節(jié)，土壤N：P也可能影響其ALP的活性。

C.??N:P比驅(qū)動的含磷微生物種群有助于堿性磷酸酶活性的變化。

四、以往研究和研究現(xiàn)狀

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，酸性磷酸酶主要來源于植物根系和微生物，堿性磷酸酶主要來源于微生物，因此，ALP被認(rèn)為是微生物周轉(zhuǎn)的重要驅(qū)動因素。一些研究已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中進行，以闡明酸性磷酸酶活性與N和P添加之間的相互作用。然而，森林生態(tài)系統(tǒng)中堿性磷酸酶活性的研究較少，可能是由于酸性磷酸酶比堿性磷酸酶在酸性條件下的有機磷礦化中起著更重要的作用。但是最近有研究表明，與酸性磷酸酶相比，酸性土中堿性磷酸酶中編碼基因個更多，因此了解它們?nèi)绾握{(diào)節(jié)土壤有機磷礦化，特別是在亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)中，可以提供微生物群落與磷循環(huán)之間的聯(lián)系。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中酸性磷酸酶活性的調(diào)節(jié)因子已進行了許多研究，土壤有機質(zhì)，土壤成土作用，巖石以及生物氣候因子被認(rèn)為是最重要的驅(qū)動因素。

五、材料和方法

A.樣地與土壤樣品采集與保存：在2017年的兩個季節(jié)(8月和10月)，分別亞高山森林-貢嘎山于4個海拔高度(2800m、3000m、3200m、3500m)的地點采集了土壤樣品。主要是冷杉。 在每個海拔梯度，分別選取三棵間距大于15m的樹進行根際和非根際土的采樣，每個新鮮土壤樣品通過2mm篩分，分為兩個子樣品，其中一個樣品儲存在4^?C測量土壤理化性質(zhì)和磷酸酶活性，另一部分儲存在-20^?C提取DNA。

B.土壤理化性質(zhì)和磷酸酶活性的測定

土壤pH；NO^3-?-N和NH⁴⁺-N；TP；AP

C.DNA提取和基因定量

利用PowerSoil?DNA分離技術(shù)提取土壤基因組DNA試劑盒(MOBIO, CA, USA)，并使用NanoDrop分光光度計評估分離的DNA的質(zhì)量和數(shù)量.

D.phoD基因擴增子測序

利用F733/R1083對引物對phoD基因進行擴增，可獲得最高的phoD微生物群落多樣性和覆蓋度。

E.數(shù)據(jù)分析

采用置換多元方差分析(PERMANOVA)方法，研究了海拔、季節(jié)和地理位置(根際和根際體積)對土壤堿性和酸性磷酸酶活性、無機磷含量、磷含量和磷含量的影響。非參數(shù)檢驗用于描述不同季節(jié)/時間上海拔和地理位置的差異。主坐標(biāo)分析(PCoA) 確定所有樣品中含有phod的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化。采用偏最小二乘路徑模型(PLS-PM)進一步揭示了不同因素影響土壤堿性磷酸酶和酸性磷酸酶活性及磷有效性的可能途徑。

六、結(jié)果

（1）圖1：土壤有效無機磷含量和堿性、酸性磷酸酶活性。10月的土壤無機有效磷含量顯著高于8月，最高含量出現(xiàn)在海拔3000m處；相反，土壤酸性和堿性磷酸酶活性在8月更高，相對較高含量出現(xiàn)在海拔2800m和3000m。普遍來說，根際的無機有效磷，酸性和堿性磷酸酶活性都高于非根際土壤。

（2）圖2、圖3：微生物豐度、多樣性及組成。phoD和phoC基因的豐度在8月顯著高于10月，但在根際和非根際中無顯著差異。phoD細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)在根際土和非根際土中也無顯著差異。

（3）圖4：無機磷含量與環(huán)境及微生物性狀的關(guān)系。在8月，無機磷與堿性磷酸酶活性之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（p<0.05），而有效無機磷含量與酸性磷酸酶在兩個季節(jié)上均無顯著相關(guān)關(guān)系。與無機磷含量不同的是，土壤堿性磷酸酶和酸性磷酸酶與TN和TC顯著相關(guān)(p?< 0.001)

七、討論

（1）堿性磷酸酶活性對土壤磷有效性具有重要調(diào)節(jié)作用：雖然酸性磷酸酶的活性是堿性磷酸酶活性的1-2倍，但phoD基因豐度比phoC基因豐度高1-2個數(shù)量級。因此，假設(shè)在亞高山森林中，酸性磷酸酶可以促進有機磷礦化，無論土壤無機磷儲量是否低，而堿性磷酸酶則可以釋放無機磷。從而為微生物和植物提供磷提供了另一種途徑。

（2）堿性磷酸酶活性與相對較少的屬緊密相關(guān)，而與phoD基因的豐度無關(guān)。N:P比驅(qū)動的含磷微生物種群對堿性磷酸酶活性的變化有一定的影響，但是，含磷細(xì)菌群落組成與堿性磷酸酶活性無顯著相關(guān)性。因此，這傾向于表明磷酸酶活性可能與細(xì)菌群落組成沒有直接關(guān)系。并發(fā)現(xiàn)堿性磷酸酶的合成僅在相對少數(shù)的phod細(xì)菌中被高度誘導(dǎo)；磷酸酶活性與C:N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明磷酸酶可為植物和微生物提供額外的N源。

八、總結(jié)與思考

目前關(guān)于土壤有機磷礦化調(diào)控機制的研究大多局限于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，以及磷酸酶活性、N和P添加之間的相互作用。本研究重點關(guān)注亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤磷礦化的環(huán)境和微生物驅(qū)動因素。結(jié)果表明，堿性磷酸酶活性較酸性磷酸酶活性更好地解釋了土壤無機有效磷含量的海拔和季節(jié)動態(tài)，說明堿性磷酸酶活性在山地森林生態(tài)系統(tǒng)土壤無機磷釋放中起著關(guān)鍵作用。顛覆了傳統(tǒng)觀點認(rèn)為的酸性磷酸酶在有機磷礦化過程中較堿性磷酸酶起著更為重要的作用。此外，土壤TC、TN對這兩種磷酸酶活性起著重要的作用，堿性磷酸酶活性受土壤N:P比例的調(diào)節(jié)，并非酸性磷酸酶，這可能是由于ALP編碼基因的轉(zhuǎn)錄受磷饑餓反應(yīng)調(diào)節(jié)的控制。通過整合微生物群落數(shù)據(jù)集，我們的結(jié)果顯示，盡管phoD基因的豐度和多樣性不高，但堿性磷酸酶活性與相對較少的含phoD細(xì)菌密切相關(guān)。本研究重點關(guān)注根際和非根際土壤磷酸酶活性以及與N、P等的關(guān)系，但是對于海拔梯度上酸性和堿性磷酸酶的差異及其與微生物群落等的相互作用關(guān)系還有待研究。