确定合理的磷肥施用量及土壤有效磷浓度对生产中磷肥减施增效,发挥作物自身及土壤微生物的生物学潜力,保证农业生态系统可持续发展具有重要意义。本研究以玉米为材料,在中国农业大学上庄试验站通过多年田间定位试验,确定了保证玉米高产的磷肥临界施用量及相应的土壤临界磷浓度;研究了不同供磷量对玉米吐丝后地上部磷再转移、分配及叶/穗碳水化合物浓度的影响;应用分子生物学方法,比较研究了不同供磷量(0-300 kg/ha)及土层(0-20 cm,20-40 cm)间玉米根中菌根真菌群落结构和供磷潜力的差异;采用RNA-Seq、16S、ITS测序技术以及土壤辐照灭菌技术,比较了缺磷和充足供磷下,玉米轴根和侧根转录组、微生物群落结构以及微生物对玉米生长的作用。主要结果如下:1)保证玉米高产的当地磷肥(P205)临界施用量为75-100 kg/ha,对应的0-20 cm 土层Olsen-P浓度为6-10 mg/kg。超过临界值后,继续增加施磷量不会增加玉米产量,导致磷肥利用率下降。20-40 cm土层的Olsen-P浓度在充足甚至过量施磷条件下仍维持在3-6 mg/kg的亏缺水平。适宜施磷量的玉米地上部总磷浓度从八叶期(生物量为2 t/ha左右)的3 mg/g降低至吐丝期(生物量为8 t/ha)后的1.6mg/g,之后保持不变至成熟。2)缺磷显著提高玉米吐丝后早期下部叶片的磷再转移效率,对茎和上部叶片磷再转移效率以及成熟时的磷收获指数无显著影响。缺磷未显著影响玉米吐丝后穗位叶光合速率,但促进吐丝后早期叶/穗中淀粉合成。乳熟期玉米体内的磷再转移以及叶/穗碳水化合物浓度均不受供磷水平影响。3)玉米根系菌根真菌侵染率、丛枝丰度、菌根真菌酸性/碱性磷酸酶活性以及根系ZmPht1;6(菌根真菌侵染诱导表达的磷转运蛋白基因)和ZmCCD8a(独角金内酯合成基因)相对表达量随施磷量增加而显著降低。当施磷量超过75-100 kg/ha时均达到最低值,并且不再随施磷量增加而变化。20-40 cm 土层玉米根系中上述指标所反映的菌根真菌供磷潜力明显高于0-20 cm 土层的根系。与上述指标的变化不同,玉米根中菌根真菌OUT数目和香农指数在不同磷水平或土层间均无显著差异,但真菌群落组成和OUT相对丰度在供磷水平间有显著差异,群落组成在土层间没有显著差异。4)玉米轴根和侧根转录组以及真菌群落结构有明显差异,并且差异大于不同供磷水平造成的差异。在转录水平,充足供磷时,轴根细胞壁代谢、次生代谢及生物胁迫防御代谢显著弱于侧根。缺磷胁迫导致玉米轴根、侧根大量基因表达上调,轴根中差异表达基因数目显著多于侧根且主要富集于生物胁迫防御代谢。菌根真菌主要侵染侧根而不是轴根,缺磷胁迫主要改变侧根中的真菌群落结构。5)盆栽结合土壤辐照灭菌研究表明,缺磷土壤灭菌进一步抑制玉米生长并导致植株极度缺磷,而充足供磷土壤灭菌则促进玉米生长。根系转录组分析结果表明,土壤灭菌导致根系大量基因表达下调。充足供磷土壤灭菌后表达显著下调的基因富集于生物胁迫防御、蛋白水解、几丁质代谢、氧化还原等生物过程。缺磷土壤灭菌后表达显著下调的基因富集于DNA复制,脂肪酸代谢、细胞壁合成等过程。缺磷和充足供磷时根中细菌和真菌群落结构无显著差异。综上,合理的磷肥施用不仅能够获得高产,同时能够大幅度提高磷肥利用率。缺磷及过量施磷均不能提高磷收获指数。在充足甚至过量施磷条件下,20-40 cm 土层玉米根系中菌根真菌供磷潜力显著高于0-20 土层的根系。缺磷时土壤微生物帮助玉米获取磷的有益作用大于有害作用,而供磷充足时则相反。充足供磷时,侧根中真菌侵染及生物胁迫防御代谢均强于轴根,缺磷胁迫主要改变侧根中真菌群落结构,诱导轴根生物胁迫防御代谢。说明供磷既可以影响玉米轴根、侧根的功能分离,也能影响土壤微生物提高土壤磷利用的生物学潜力。侧根作为植物主要的吸收养分和水分的部位,被真菌侵染的程度和真菌的群落结构更容易受供磷水平的影响,而轴根生物胁迫防御代谢的显著上调可以尽可能减少有害微生物的危害。