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氮和磷是植物生长所必需的两大矿质营养元素，是限制陆地生态系统初级生产力的重要因素。过去人们大多只关注氮或磷其中一种营养元素对植物以及生态系统的影响，而近年来多种营养元素对生态系统的共同限制作用则越来越受到人们的重视。在陆地生态系统中，植物常与丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)形成共生体，通过菌根途径吸收养分从而提高养分吸收效率。AMF能与80%以上的陆地植物形成共生关系，对植物吸收氮、磷起着至关重要的作用。最新研究显示氮和磷会共同限制植物的生长，那么在氮磷共同限制的系统中，AMF是否在养分吸收过程中起到重要的作用？若是，则AMF吸收转运氮和磷的具体机制是什么？此外，土壤中的氮和磷常以有机质的形式存在，需要在菌丝际微生物的作用下转变成为无机养分才能被AMF直接吸收利用。而菌丝际微生物群落容易受到土壤理化性质尤其是养分条件的影响，但其在不同养分条件下的动态变化仍不清楚。
本论文结合meta分析与实验数据，采用生长箱培养及温网室盆栽培养两种培养体系，利用15N稳定性同位素示踪技术与二代高通量测序技术，研究以下问题：(1)全球尺度上的氮磷共限制是否与AM共生植物的分布相关联？(2)AMF对氮磷的吸收及不同养分条件下菌丝际微生物群落的结构与动态变化；(3)AMF对氮磷的转运过程是否存在耦合？研究取得以下主要成果：
1.AMF广泛分布在氮磷共限制的区域
我们通过meta分析，发现AM植物集中分布在全球氮磷共限制的区域。其中低纬度地区(0-30°)为明显的磷限制，高纬度地区(60-90°)为明显的氮限制，而中纬度地区(30-90°)则有强烈的氮磷共限制作用。AM植物的优势度则随着纬度的降低而增加，广泛分布在中低纬度区域(0-60°)。AMF会在氮磷共限制的系统中促进植物的生长。
2.AMF对氮磷的吸收机制
我们通过氮养分添加实验发现，AMF能够吸收不同形态的氮(铵态氮、硝态氮、甘氨酸)并且对铵态氮有吸收偏好性。实验结果显示，铵态氮处理下，植物的生物量及侵染率高于其他氮处理组(硝态氮和甘氨酸)。同时15N标记结果也表明AMF对于铵态氮的吸收转运效率要显著高于硝态氮和甘氨酸。我们进一步探讨AMF对磷的吸收机制，发现铵态氮的添加能够显著提高土壤酸性磷酸酶的活性，促进有机磷的水解及无机磷的释放，从而促进植物菌根途径对磷的吸收。以上结果表明AMF对氮磷的吸收存在一定的相关性，植物对磷的吸收会受到土壤中氮浓度的影响。
3.不同养分条件下菌丝际微生物群落的结构与动态变化
AMF养分吸收的过程与菌丝际微生物群落活动息息相关。我们通过16SrRNA测序及微生物群落结构与网络分析，发现不同形态氮处理对菌丝际微生物群落结构没有明显影响。进而我们通过增加取样时间点发现，养分添加后短时间内(DAT 35)，菌丝际微生物群落结构与共存网络均发生显著的变化。随着养分逐渐被吸收，微生物群落结构逐渐恢复到养分添加之前的初始状态(DAT 30)，其中物种的相对丰度与土壤养分呈现明显的相关性；但直到我们实验的末期(DAT 60)，网络仍未出现恢复的趋势，这可能与优势物种和稀缺物种之间的连接被打断有关。
4.AMF对氮磷的耦合转运
我们通过不同N∶P比(16∶1,4∶1,1∶1,1∶16)养分添加实验，研究AMF对氮磷的转运机制。实验结果显示，根外菌丝中的N∶P化学计量比不随外界养分添加比例的变化而变化，而是保持在相对稳定的一个范围内(0.19-0.43)，均值约为0.34。以上结果表明AMF中可能存在对氮磷的耦合转运。
我们进一步使用转录组测序(RNA-seq)和实时荧光定量PCR(qPCR)的方法来研究AMF在养分转运过程中的基因表达情况。实验结果显示，养分添加8h后，AMF根外菌丝中与NH4+、Pi吸收转运相关的基因表达均表现出明显地上调，其中菌丝细胞膜(PT)和液泡膜(VTC4)上的Pi转运蛋白在N∶P比为1∶1时表达活性最高，细胞膜上的NH4+转运蛋白(AMT)及N代谢过程中的关键酶精氨酸合成酶(ASS)同样在N∶P比为1∶1时的表达量高于N∶P比4∶1和1∶16的处理。基因表达的结果也从另一方面证实了AMF中氮磷的耦合转运。
我们的研究结果从植物吸收、菌丝养分、基因表达等几个层面阐述了AMF对氮磷的耦合转运，完善了AMF养分吸收的理论框架，有利于我们在全球氮磷养分共限制的背景下理解AMF在养分循环过程中的关键作用。
本论文结合meta分析与实验数据，采用生长箱培养及温网室盆栽培养两种培养体系，利用15N稳定性同位素示踪技术与二代高通量测序技术，研究以下问题：(1)全球尺度上的氮磷共限制是否与AM共生植物的分布相关联？(2)AMF对氮磷的吸收及不同养分条件下菌丝际微生物群落的结构与动态变化；(3)AMF对氮磷的转运过程是否存在耦合？研究取得以下主要成果：
1.AMF广泛分布在氮磷共限制的区域
我们通过meta分析，发现AM植物集中分布在全球氮磷共限制的区域。其中低纬度地区(0-30°)为明显的磷限制，高纬度地区(60-90°)为明显的氮限制，而中纬度地区(30-90°)则有强烈的氮磷共限制作用。AM植物的优势度则随着纬度的降低而增加，广泛分布在中低纬度区域(0-60°)。AMF会在氮磷共限制的系统中促进植物的生长。
2.AMF对氮磷的吸收机制
我们通过氮养分添加实验发现，AMF能够吸收不同形态的氮(铵态氮、硝态氮、甘氨酸)并且对铵态氮有吸收偏好性。实验结果显示，铵态氮处理下，植物的生物量及侵染率高于其他氮处理组(硝态氮和甘氨酸)。同时15N标记结果也表明AMF对于铵态氮的吸收转运效率要显著高于硝态氮和甘氨酸。我们进一步探讨AMF对磷的吸收机制，发现铵态氮的添加能够显著提高土壤酸性磷酸酶的活性，促进有机磷的水解及无机磷的释放，从而促进植物菌根途径对磷的吸收。以上结果表明AMF对氮磷的吸收存在一定的相关性，植物对磷的吸收会受到土壤中氮浓度的影响。
3.不同养分条件下菌丝际微生物群落的结构与动态变化
AMF养分吸收的过程与菌丝际微生物群落活动息息相关。我们通过16SrRNA测序及微生物群落结构与网络分析，发现不同形态氮处理对菌丝际微生物群落结构没有明显影响。进而我们通过增加取样时间点发现，养分添加后短时间内(DAT 35)，菌丝际微生物群落结构与共存网络均发生显著的变化。随着养分逐渐被吸收，微生物群落结构逐渐恢复到养分添加之前的初始状态(DAT 30)，其中物种的相对丰度与土壤养分呈现明显的相关性；但直到我们实验的末期(DAT 60)，网络仍未出现恢复的趋势，这可能与优势物种和稀缺物种之间的连接被打断有关。
4.AMF对氮磷的耦合转运
我们通过不同N∶P比(16∶1,4∶1,1∶1,1∶16)养分添加实验，研究AMF对氮磷的转运机制。实验结果显示，根外菌丝中的N∶P化学计量比不随外界养分添加比例的变化而变化，而是保持在相对稳定的一个范围内(0.19-0.43)，均值约为0.34。以上结果表明AMF中可能存在对氮磷的耦合转运。
我们进一步使用转录组测序(RNA-seq)和实时荧光定量PCR(qPCR)的方法来研究AMF在养分转运过程中的基因表达情况。实验结果显示，养分添加8h后，AMF根外菌丝中与NH4+、Pi吸收转运相关的基因表达均表现出明显地上调，其中菌丝细胞膜(PT)和液泡膜(VTC4)上的Pi转运蛋白在N∶P比为1∶1时表达活性最高，细胞膜上的NH4+转运蛋白(AMT)及N代谢过程中的关键酶精氨酸合成酶(ASS)同样在N∶P比为1∶1时的表达量高于N∶P比4∶1和1∶16的处理。基因表达的结果也从另一方面证实了AMF中氮磷的耦合转运。
我们的研究结果从植物吸收、菌丝养分、基因表达等几个层面阐述了AMF对氮磷的耦合转运，完善了AMF养分吸收的理论框架，有利于我们在全球氮磷养分共限制的背景下理解AMF在养分循环过程中的关键作用。