近年来，利用酶谱和薄膜扩散梯度（DGT）等非破坏性二维成像技术研究了根-土界面磷酸酶活性和活性溶质的分布。本文首次报道了两种不同土壤（沙地和壤土）中蓝羽扇豆（Lupinus angustifolius）根际活性磷（P）和相关酸性磷酸酶活性的空间分布和潜在相互作用。以4-甲基伞形花序磷酸酯（MU-P）为酸性磷酸酶活性标测基础的酶谱法和能够结合不稳定磷的DGT凝胶被部署到各个根轴上，以观察在温室条件下生长45天的蓝羽扇豆根际中磷的动员和消耗。两种土壤的根际酸性磷酸酶活性均明显高于对照，且与根系周围的缺磷带共存。侧根剖面显示，酸性磷酸酶活性的升高以及磷的消耗从根中心延伸到根际达2毫米。尽管壤土中的总磷和有机磷库较大，但土壤中的磷比沙子中的磷更缺乏植物有效性（DGT活性磷）。然而，两种土壤根际磷酸酶活性和植物磷含量相似。这些结果表明，由于磷有效性低，酶催化的有机磷水解在壤土中受到限制，这解释了两种土壤羽扇豆中磷含量相似的原因。磷没有在根际的不稳定池中积累，说明通过磷酸酶供应的磷不能补偿植物对磷的需求，导致磷的消耗区。虽然我们的工作证明了结合酶谱和DGT部署在微尺度研究根际过程中的适用性，但我们也讨论了这种方法的局限性和前景。
沙土(上)和壤土(下)中生长的单根周围的酸性磷酸酶活性和P通量以横穿（a和b）和沿着（c和d）拉直的根的剖面形式显示。酸性磷酸酶活性（APA）显示为红色，位于左侧y轴上；DGT测得的P通量以蓝色显示在右y轴上。中间的黑色曲线表示平均值，而彩色阴影表示1 mm厚剖面内的标准偏差。
Roschitz C , Boitt G , Santner J , et al. Co-occurring increased phosphatase activity and labile P depletion in the rhizosphere of Lupinus angustifolius assessed with a novel, combined 2D-imaging approach[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2020:107963.
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107963
根系分泌的酸性磷酸酶（APase）使植物能够在低磷土壤中调动有机磷。然而，土壤APase活性对富磷斑块响应的时空动态尚不清楚。在这里，我们在两种不同土壤类型和不同磷供应的根箱中种植玉米。应用原位土壤酶谱技术研究了土壤中APase活性的时空变化。发现富磷斑块能诱导根系分泌APase，说明即使局部施用矿质磷肥，也能促进根系对土壤有机磷的动员；同一根箱的根际和土壤中的APase热点区和APase活性在整个土壤剖面上表现出相反的日变化规律。根际的APase热点区域中午比午夜大10-140%，这与光合作用的日节律相一致。相比之下，在土壤中，午夜的面积比中午大18-200%，这导致了土壤有机磷利用的时空生态位分化；这减轻了植物和土壤微生物之间的竞争。结果表明，富磷斑块根系的APase分泌呈可塑性，与土壤微生物呈相反的日变化规律。
酸性磷酸酶（中）和玉米根在根箱（左右）中、潮土和红壤中的分布。
酸性磷酸酶（中）和玉米根在根箱（左右）中、潮土和红壤中的分布。
Ma, Xiaofan; LI, Haigang; ZHANG, Junling; SHEN, Jianbo (2021): Spatiotemporal Pattern of Acid Phosphatase Activity in Soils Cultivated With Maize Sensing to Phosphorus-Rich Patches. In Frontiers in plant science 12, p. 650436.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8076754/
外生菌根真菌可以通过产生胞外水解酶来获取磷，但其对土壤磷有效性下降的反应方式和程度尚不清楚。在不列颠哥伦比亚沿海的土壤灰化梯度上，我们研究了孟氏拟铁杉EM根中六种外切酶（木糖酶、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸单酯酶、酸性磷酸二酯酶[APD]和漆酶）的活性。我们发现APD活性与无机磷的下降呈曲线关系增加了四倍。外切酶活性与有机磷含量无关，但在31P-NMR分辨率较高时，APD活性与表面有机层（森林层）磷酸二酯与正磷酸盐的比值呈显著正相关。大多数外切酶的显著增加（2-5倍）与叶片磷浓度的下降相一致。但与叶片氮（N）：磷比率相关的反应在统计学上更好。具有关键外切酶持续高产量的EM真菌种类仅限于灰化土地块。与氮限制相关的磷缺乏可以提供外酶投资的最佳预测因子，反映EM真菌的最佳分配策略。资源限制有助于物种更替和组装独特的，适应良好的真菌群落。
越来越多的研究使用生态酶化学计量法来确定微生物的营养状况或营养限制。根据生态酶化学计量理论，β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）和β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）（BG:NAG）或BG和NAG+亮氨酸氨基肽酶（LAP）（BG:（BG+LAP））的比值反映了微生物碳氮限制，比值越大表明碳氮限制。然而，一些研究报告说，这些比率并没有反映碳氮的限制。在这篇论文中，我提出了一个新的概念模型来区分何时BG:NAG（或BG:（BG+NAG））反映了微生物的C vs N限制。如果纤维素是主要的C源（相对于几丁质、肽聚糖和蛋白质），BG:NAG（或BG:（BG+NAG））反映了C vs N限制，正如酶化学计量理论所表明的，如果几丁质、肽聚糖和蛋白质是主要的碳源，那么BG:NAG（或BG:（BG+NAG））不能确定C对N的限制。
Mori T . Does ecoenzymatic stoichiometry really determine microbial nutrient limitations?[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2020, 146:107816.
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107816
phoD作为一个编码微生物碱性磷酸单酯酶的同源基因，其表达受磷有效性的严格控制，从而参与了缺磷条件下土壤有机磷的矿化。然而，由于磷循环中物理化学和生物过程的复杂耦合，尤其是在稻田中，磷在土壤磷周转中的调节作用尚不清楚。我们推测：1）施磷会降低phoD基因的丰度，改变phoD微生物群落的组成；2）贫磷土壤中phoD微生物的高丰度会刺激碱性磷酸单酯酶的合成，从而通过有机磷的矿化来缓解磷的限制。水稻生长42d后，phoD丰度与土壤磷有效性呈负相关，无论是根际土壤还是团块土壤，非施肥处理的phoD丰度均显著高于施磷处理。在未施肥土壤中，phoD微生物之间的竞争比在磷肥土壤中更强，慢生根瘤菌、甲基杆菌和甲基单胞菌是所有样品中的优势类群。然而，缺磷条件下phoD基因丰度较高的主要原因是放线菌和蓝藻的稀有操作分类单元（otu）的生长（相对丰度） < 3%)。与我们的假设一致，phoD微生物的生长刺激了未施肥土壤中有机磷的水解。然而，在施磷处理中，OTU丰度的增加伴随着交换性P的消耗和微生物生物量P的积累。我们的研究结果表明，在磷供应充足的条件下，phoD微生物具有固定生物量中磷的潜力，而在磷缺乏的条件下，phoD微生物具有矿化有机磷的潜力，其中稀有类群起着重要的作用。
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.12.025
酶活性分析。A:拟南芥幼苗在P+或P+上生长− 固体培养基7 d、 用0.01%（w/v）BCIP覆盖根24小时 h在室温下。B：BCIP染色根的特写图，如（A）所示。C：根相关脂肪酶活性的定量测定。D：液体培养基中生长的拟南芥幼苗的照片。E：7日龄拟南芥幼苗从P+固体培养基转入P+或P+固体培养基后，液体培养基中的总APase活性− 液体培养基，再培养0-10天 天。F：在P+或P+上生长的拟南芥幼苗的茎和根细胞内脂肪酶活性− 固体培养基7 D。
在多个水平上显示PSI分泌APases的调节的图表。在Pi充分条件下，多磷酸肌醇（InsPs）与SPX1蛋白结合。这种结合促进SPX1-PHR/PHLs复合物的形成，阻止PHR/PHLs启动APase基因转录。内或外Pi水平的降低降低了细胞内InsPs的浓度，这种降低使PHR/PHLs从SPX1-PHR/PHL复合物中解离，从而激活APase基因和miRNA399的转录。蔗糖对APase基因的转录具有重要作用。在转录后，翻译的APase蛋白经历信号肽裂解、糖基化和其他可能影响其稳定性和分泌到根际的修饰。蔗糖-miRNA399-PHO2模块也可能参与调节APase蛋白的稳定性。乙烯是一种局部信号分子，可能通过控制根际酸化来调节根表面的脂肪酶活性。箭头表示提升，垂直线表示抑制。
A L W , B D L . Functions and regulation of phosphate starvation-induced secreted acid phosphatases in higher plants[J]. Plant Science, 2018, 271:108-116.
https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2018.03.013
全球环境变化使生态系统中的碳循环和养分循环等重要的生物地球化学过程发生了越来越大的变化。尽管土壤胞外酶活性（EEAs）在生物地球化学过程中起着重要作用，但在一个不断变化的世界中，土壤EEAs的全球格局仍然是难以捉摸的。在这里，我们根据132篇同行评议的论文合成了8个参与碳（C）、氮（N）和磷（P）获取的eea，以响应7个全球变化因素。结果表明，CO2浓度升高对土壤EEAs没有显著影响。施氮促进了EEAs的C-获得（9.1%）和P-获得（9.9%），但抑制了氧化酶活性(−6.8%). 磷的添加降低了P-EEA(−19.8%），而氮磷联合添加增加了碳获得EEA（30.7%）。此外，降水量的减少显著抑制了氧化酶的活性(−47.2%），降水量的增加对N-积累EEA有一定的促进作用（16.7%），而增温显著降低了氧化酶活性(−10.9%），对水解酶活性影响较小。总的来说，我们的结果为微生物酶生产的资源分配理论提供了一些证据，并且表明EEAs对营养物质的添加比对大气和气候变化更敏感。我们已经证明，全球环境变化可以改变EEAs，这对土壤碳储存、养分循环和植物生产力都有影响。需要进一步的研究来阐明驱动EEA对全球变化响应的潜在机制，并从缺乏EEA数据的特别是非森林生态系统（如湿地、苔原和沙漠）和全球变化驱动因素（除氮外）收集数据。我们对土壤酶活性对全球变化驱动因素的响应的合成可以用来更好地表征生态系统和地球系统模型中的微生物过程。
土壤磷酸酶水平强烈控制着磷（P）的生物途径，P是生命的基本元素，在陆地生态系统中常常受到限制。我们利用已发表研究的元数据分析，研究了气候和土壤特征对陆地系统磷酸酶活性的影响。这是对天然土壤磷酸酶全球测量的首次分析。我们的结果表明，有机磷（Porg）是预测磷酸酶活性最重要的磷组分，而不是有效磷。以土壤全氮（TN）、年平均降水量、年平均气温、热振幅和土壤总碳为最有效预测变量的结构方程模型解释了高达50%的磷酸酶活性空间变异。在这个分析中，Porg不能被检测，在其他可用变量中，TN是解释磷酸酶活性空间梯度的最重要因素。另一方面，磷酸酶活性也被发现与全球不同生物群落的气候条件和土壤类型有关。Porg、TN和降水等不同预测因子之间的密切关联表明，磷的循环是由生态系统生产力的大尺度模式驱动的。
近年来，土壤微生物活性的空间分布越来越受到人们的关注；然而，土壤微生物活性的空间分布分析和酶活性热点的定位方法还很有限。本文提出了一种原位酶谱技术，用于土壤酶活性的定位和定量分析。孵育后，利用校准曲线和数字图像分析对残留在凝胶中的基质进行着色和定量。到目前为止，酶谱主要用于在电泳凝胶和组织切片中定位酶的活性。在这项研究中，我们发展了一种酶谱技术来分析土壤中酶活性的二维分布。应用该技术对根箱生长的羽扇豆（Lupinus polyphyllus）根际蛋白酶和淀粉酶活性进行了定位和定量研究。由于酶谱法是一种原位方法，不需要破坏土壤结构，它可能比标准酶测定法更真实地描绘酶活性。总之，土壤原位酶谱技术为绘制土壤酶活性分布图提供了一种有效的方法。
转载于土壤磷循环
