近日，北京林業大學草地生態保護與恢復團隊揭示了植物在低磷環境下協調“磷吸收”與“病原菌防御”這一生存悖論的關鍵調控機制，為全球農業可持續發展提供了新思路。研究成果以題為"Phosphorus acquisition and pathogen defense: synergies versus trade-offs"的論文，發表在Cell子刊《Trends in Plant Science》（IF=20.8）上。
磷作為植物生長必需礦質元素，其可持續供給關乎農業生產安全。為滿足作物需求，人類大規模開采磷礦資源并投入磷肥生產，這不僅加劇了不可再生資源的耗竭，更引發水體富營養化等環境風險。因此，提升作物自身磷效率已成為農業可持續發展的核心策略。植物在生長發育過程中持續面臨病原菌脅迫。值得注意的是，低磷脅迫下的植物在激活高效磷獲取機制（如排根發育、有機酸分泌）的同時，往往遭遇病原體侵襲，觸發免疫防御系統。由于兩類生理過程均需消耗大量能量與資源，其同步激活將導致顯著的代謝負擔。因此，植物在磷限制環境中的生存競爭力，本質上取決于對“生長-防御權衡”（Growth-Defense Trade-off） 的調控能力——這揭示了植物生理學的深層矛盾：如何在資源競爭中協調營養獲取與免疫健康的平衡？
本研究將植物在低磷條件下植物的磷吸收利用策略分為兩大類：非菌根策略（自力更生派）和菌根策略（合作共贏派）。指出非菌根策略的植物磷吸收能力強但抗病性差。比如羽扇豆能夠通過分泌檸檬酸等羧酸鹽活化土壤難溶磷，顯著提升吸收效率，然而其根系物理屏障薄弱（排根木質化程度低、表皮屏障薄）、草酸等分泌物可誘導宿主細胞程序性死亡，抑制活性氧免疫，導致病原菌侵染風險增加。然而菌根策略卻能在吸收磷的同時增強抗病性，比如叢枝菌根真菌（AMF）能夠通過菌絲網構建“生物護盾”阻擋病原體，激活植物免疫基因（如抗病蛋白PR1）， 招募益生菌分泌天然殺菌劑等實現磷獲取與抗病性的雙贏（圖1）。
圖1. 非菌根磷獲取策略導致病原易感性增加的根源在于物理保護弱化（根系木質化程度低或缺乏栓化外皮層）以及防御相關產物（激素、代謝物、抗生素及蛋白質）釋放減少。相反，菌根磷獲取策略通過物理防護（形成叢枝結構、菌絲鞘（外生菌根）、哈蒂氏網（Hartig net）及栓化外皮層，阻隔病原侵染）和生化防御（釋放防御相關產物）雙重途徑增強病原抗性。此外，叢枝菌根真菌與外生菌根真菌還可通過與病原體競爭碳源和養分實現生物拮抗。圖中元素的大小與數量表征其相對貢獻度或作用強度。
此外，作者深入探討了植物磷吸收與病原防御協同調控分子調控機制（圖2）。指出核心調控因子 PHOSPHATE STARVATION RESPONSE (PHR) 蛋白具有"雙面間諜"特性：一方面，PHR促進磷獲取基因表達，維持低磷環境下植物生存；另一方面，PHR關閉免疫通路節約能量，導致病原感染率提升。然而，多項研究證明PHR也可以正向調控免疫。比如，在磷匱乏水稻中，OsPHR2通過激活茉莉酸（JA）信號通路增強對 Xanthomonas oryzae 的抗性。這種功能多效性沖突揭示了植物磷-免疫互作網絡的極端復雜性，其調控方向可能受物種特異性、病原類型及環境因子共同影響。未來需結合單細胞轉錄組、磷酸化蛋白質組等技術，在時空維度解析PHR的動態調控網絡。
圖2. 磷缺乏（P deficiency）激活的磷饑餓響應（PSR）與植物免疫的互作機制當前農業對磷肥的過度依賴正加速不可再生磷礦資源耗竭（預計百年內枯竭），并引發水體富營養化等環境問題；而單一推廣磷高效作物（如羽扇豆）則因抗病缺陷易誘發病原菌暴發。本研究提出通過構建功能互補型生態種植系統破局：以蠶豆（磷吸收強但抗病性差）與小麥（磷吸收差但抗病性強）間作模式為例，蠶豆通過分泌有機酸活化土壤磷資源，提升系統磷有效性；小麥則通過根際釋放抗菌物質降低蠶豆枯萎病發病率，實現磷肥減量且維持系統生產力。更嚴峻的是，全球變化驅動下（如氮沉降、增溫），自然生態系統正陷入“磷限制加劇-病原增殖強化”的惡性循環。因此，未來必須將植物磷吸收—病原菌防御互作調控納入生態系統管理框架，通過優化物種功能性狀配置，全面提升農業-生態耦合系統的可持續性。
北京林業大學草業與草原學院青年教師丁文利為論文第一作者，董世魁教授和Hans Lambers教授為論文通訊作者。此項工作得到了國家自然科學基金 (32102468, 32361143870 ) 和國家重點研發計劃 (2023YFF1304303) 項目的支持。
論文鏈接：https://www.cell.com/trends/plant-science/abstract/S1360-1385(25)00203-1
