由于農藥(yao)、化(hua)肥的過(guo)度(du)使用(yong)以及工業“三廢(fei)”的排放，導致土壤鎘污染(ran)日(ri)趨嚴(yan)(yan)重(zhong)，鎘是土壤中(zhong)最常見的高毒性(xing)重(zhong)金屬(shu)污染(ran)物。蘋果是世(shi)界上最重(zhong)要的經(jing)濟水果之一，種植面積大，生長(chang)(chang)(chang)周期長(chang)(chang)(chang)，巨大的時(shi)空跨(kua)度(du)使其容易遭受鎘污染(ran)，嚴(yan)(yan)重(zhong)威脅(xie)(xie)蘋果生長(chang)(chang)(chang)發育和品質安全。多巴胺具(ju)有(you)(you)較強的抗氧(yang)化(hua)能力，在(zai)植物響應逆境脅(xie)(xie)迫(po)中(zhong)具(ju)有(you)(you)重(zhong)要作(zuo)用(yong)。然而，關于多巴胺調控蘋果鎘脅(xie)(xie)迫(po)的研究(jiu)較少(shao)。

多(duo)巴胺(an)對鎘(ge)脅迫下蘋果生(sheng)長、總葉(xie)綠素含量(liang)、相對電(dian)解泄漏量(liang)、多(duo)巴胺(an)含量(liang)及光合參數(shu)的(de)影響

在第60天，鎘脅迫（ST）幼苗的株長(chang)、干粗、總(zong)干重和相(xiang)(xiang)(xiang)對生長(chang)率與(yu)對照(zhao)（CK）相(xiang)(xiang)(xiang)比均顯(xian)著降低(di)。相(xiang)(xiang)(xiang)反，與(yu)ST相(xiang)(xiang)(xiang)比，多巴(ba)胺(an)處理（DST）顯(xian)著提(ti)高了上(shang)述參數(shu)(圖1a-e)。此外，多巴(ba)胺(an)處理后的總(zong)葉綠素含量（TCC）比ST植株顯(xian)著提(ti)高了7.0%。與(yu)對照(zhao)相(xiang)(xiang)(xiang)比，ST植株的相(xiang)(xiang)(xiang)對離(li)子(zi)滲漏率（REL）顯(xian)著提(ti)高了44.8%，而(er)DST植株的REL僅提(ti)高了6.9%(圖1f和g)。

在(zai)處理60天后，測量(liang)了葉(xie)片(pian)和(he)根(gen)中多(duo)(duo)巴胺(an)(an)(an)的內源性水平：與(yu)對照(zhao)相比，Cd脅迫下根(gen)中多(duo)(duo)巴胺(an)(an)(an)含量(liang)顯著(zhu)升高。施用多(duo)(duo)巴胺(an)(an)(an)后，根(gen)和(he)葉(xie)中多(duo)(duo)巴胺(an)(an)(an)含量(liang)較ST顯著(zhu)提(ti)高了252.6%和(he)191.7%(圖1h)，說明外源多(duo)(duo)巴胺(an)(an)(an)增加了內源多(duo)(duo)巴胺(an)(an)(an)水平。此外，DST植物的蒸騰速率(lv)(tr)、氣孔導度(du)(Gs)和(he)凈光(guang)合(he)速率(lv)(Pn)比ST顯著(zhu)提(ti)高了60.3%、80.0%和(he)64.3%，而細(xi)胞間CO2濃度(du)(Ci)則降低了2.3%(圖1i- l)。

圖(tu)1 Cd脅(xie)迫下多巴胺(an)對蘋果生長(chang)參數及(ji)多巴胺(an)含量的(de)影響

多巴胺減輕Cd誘(you)導的氧化應(ying)激

與ST相(xiang)比，DST植株(zhu)H2O2含量(liang)和(he)O2??產(chan)量(liang)顯(xian)著(zhu)降低20.9%和(he)21.9%。葉綠(lv)素熒光(guang)參(can)數(Fv/Fm)和(he)非光(guang)化(hua)(hua)學猝滅系數(NPQ)均顯(xian)著(zhu)高(gao)(gao)于ST，分(fen)別提高(gao)(gao)了(le)11.4%和(he)19.0%。與此(ci)同時(shi)，MST處理(li)的蘋果葉片過(guo)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)酶(POD)、過(guo)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)氫酶(CAT)、超氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)歧化(hua)(hua)酶(SOD)和(he)抗壞(huai)血酸(suan)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)酶(APX)活性顯(xian)著(zhu)升高(gao)(gao)，其中(zhong)上述(shu)抗氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)酶活性較(jiao)ST處理(li)分(fen)別顯(xian)著(zhu)提高(gao)(gao)了(le)26.0%、32.1%、43.2%和(he)63.2%。最后，與對照相(xiang)比，Cd脅(xie)迫下總抗氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)能力(T -AOC)顯(xian)著(zhu)提高(gao)(gao)了(le)10.9%，DST脅(xie)迫下提高(gao)(gao)了(le)26.4%(圖2)。

圖2 多巴胺對Cd脅(xie)迫下應(ying)激反應(ying)性(xing)狀的影響(xiang)

多巴胺降低(di)了蘋果中Cd的含量

圖3a顯(xian)示了(le)(le)不(bu)同處理后的(de)蘋果葉和(he)(he)根(gen)的(de)染色，Cd以棕紅色復合體(ti)的(de)形式(shi)積累(lei)。與對(dui)照(zhao)相比(bi)，ST處理植株(zhu)的(de)Cd濃度(du)和(he)(he)累(lei)積量分(fen)別(bie)顯(xian)著(zhu)增加了(le)(le)85.2倍(bei)(bei)和(he)(he)67.0倍(bei)(bei)，葉片(pian)分(fen)別(bie)增加了(le)(le)1.72倍(bei)(bei)和(he)(he)1.32倍(bei)(bei)。與ST相比(bi)，DST植株(zhu)的(de)Cd濃度(du)和(he)(he)累(lei)積量分(fen)別(bie)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低了(le)(le)16.8%和(he)(he)9.3%，葉片(pian)分(fen)別(bie)降(jiang)低了(le)(le)34.8%和(he)(he)32.7%（圖3b）。

圖3 植物(wu)Cd濃(nong)度與積累

多(duo)巴胺調節抗氧化酶和抗壞血酸(suan)(AsA) -谷胱甘肽(GSH)循環相關基因以(yi)及Cd攝取和解(jie)毒(du)基因

大部分抗氧化酶(mei)和AsA-GSH循環相關基(ji)(ji)因(yin)在(zai)(zai)ST葉(xie)(xie)片(pian)(pian)中(zhong)(zhong)(zhong)均有(you)不(bu)同程(cheng)度(du)的上(shang)(shang)(shang)(shang)調，而(er)在(zai)(zai)ST根中(zhong)(zhong)(zhong)無明顯(xian)差異。然而(er)，多(duo)巴胺作用后，幾(ji)乎所(suo)有(you)抗氧化和AsA-GSH相關基(ji)(ji)因(yin)均顯(xian)著(zhu)(zhu)上(shang)(shang)(shang)(shang)調。其中(zhong)(zhong)(zhong)，MdCAT在(zai)(zai)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)中(zhong)(zhong)(zhong)比ST上(shang)(shang)(shang)(shang)調1.9倍，MdCAT、MdMDHAR和MdcGR在(zai)(zai)根中(zhong)(zhong)(zhong)分別上(shang)(shang)(shang)(shang)調3.2倍、3.6倍和3.4倍(圖4a-b)。與(yu)ST相比，DST葉(xie)(xie)片(pian)(pian)中(zhong)(zhong)(zhong)MdNRAMP3、MdHMA4、MdHA7和MdFRO2-like的表達量分別下(xia)調42.3%、53.2%、69.1%和62.6%，在(zai)(zai)根中(zhong)(zhong)(zhong)分別下(xia)調55.6%、66.4%、10.6和38.6%。在(zai)(zai)Cd脫毒基(ji)(ji)因(yin)中(zhong)(zhong)(zhong)，MdCAX2和MdNAS1在(zai)(zai)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)中(zhong)(zhong)(zhong)顯(xian)著(zhu)(zhu)上(shang)(shang)(shang)(shang)調76.4%和125.7%，MdCAX2在(zai)(zai)根中(zhong)(zhong)(zhong)顯(xian)著(zhu)(zhu)上(shang)(shang)(shang)(shang)調58.3%(圖4c-d)。

圖4 不同處理下抗氧(yang)化酶、AsA-GSH循環(huan)和Cd吸收解(jie)毒(du)相關(guan)基因的(de)表達

微生物多樣性和群落組成

多(duo)(duo)(duo)巴胺處理(li)后細(xi)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)和(he)(he)真菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)α-多(duo)(duo)(duo)樣性評(ping)估顯示(shi)，與(yu)ST相比，Simpson指數(shu)明(ming)顯升高。非度(du)(du)量多(duo)(duo)(duo)維尺度(du)(du)分析(NMDS)顯示(shi)，Cd脅迫(po)和(he)(he)外源多(duo)(duo)(duo)巴胺處理(li)導致不同(tong)處理(li)間差異顯著(圖5a-b)。在各種處理(li)中(zhong)，酸(suan)桿菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)、氯桿菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)、放線菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)占(zhan)細(xi)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)群(qun)落的主(zhu)導地位，擔子(zi)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)門(men)、子(zi)囊菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)門(men)占(zhan)真菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)群(qun)落的主(zhu)導（圖5c-d）。優勢細(xi)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)和(he)(he)真菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)屬也發生了變(bian)化，DST中(zhong)大多(duo)(duo)(duo)數(shu)優勢細(xi)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)和(he)(he)真菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)屬的相對豐度(du)(du)相對于ST顯著降低（圖5e-f）。

圖5 根際(ji)土壤微(wei)生(sheng)物(wu)群落(luo)組(zu)成

不同處理后微生物群落的聚(ju)集(ji)

群(qun)(qun)落組(zu)(zu)裝(zhuang)(zhuang)過(guo)(guo)程(cheng)決定了物種分布(bu)和(he)(he)豐度的模式，這是(shi)(shi)微(wei)生(sheng)物組(zu)(zu)生(sheng)態學的核心。Homogenizing dispersal在CK和(he)(he)ST根(gen)(gen)際細菌(jun)群(qun)(qun)落的隨機過(guo)(guo)程(cheng)中占主導地(di)位。多(duo)巴胺(an)改變了根(gen)(gen)際細菌(jun)的組(zu)(zu)裝(zhuang)(zhuang)過(guo)(guo)程(cheng)，Undominanted、Homogenizing dispersal和(he)(he)Dispersal limitation分別占66.7%、22.2%和(he)(he)11.1%。對于(yu)根(gen)(gen)際真菌(jun)群(qun)(qun)落，Undominant process是(shi)(shi)CK最重要的組(zu)(zu)裝(zhuang)(zhuang)過(guo)(guo)程(cheng)，而Homogeneous selection在ST和(he)(he)DST樣本(ben)中占主導地(di)位（圖6）。

圖6 β-NTI在細(xi)菌(a)和真菌(b)樣品中的分布

微生(sheng)物群落(luo)的網絡分析

共線性網絡分(fen)析結果發現，在DST樣本(ben)的(de)細菌(jun)群落(luo)中(zhong)，節點數和總(zong)鏈接數較(jiao)ST顯(xian)著增加。在真菌(jun)群落(luo)中(zhong)，與ST相比，多(duo)(duo)巴(ba)胺處理(li)后節點數和總(zong)鏈接數明顯(xian)減少(shao)。此外細菌(jun)和真菌(jun)群落(luo)之間的(de)總(zong)鏈接數明顯(xian)增加。并且(qie)鎘脅迫條件(jian)下多(duo)(duo)巴(ba)胺處理(li)使(shi)中(zhong)介(jie)中(zhong)心性前五的(de)關(guan)鍵(jian)屬發生改變。以上結果表明，Cd脅迫和多(duo)(duo)巴(ba)胺對微(wei)生物組成結構有(you)顯(xian)著影響(圖7)。

圖7 根際土(tu)壤中細(xi)菌(jun)群(qun)落(luo)(a)、真(zhen)菌(jun)群(qun)落(luo)(b)、細(xi)菌(jun)和真(zhen)菌(jun)群(qun)落(luo)(c)之間的網絡分析

潛(qian)在(zai)有益微(wei)生(sheng)物相對豐度與RGR和全(quan)株Cd積(ji)累(lei)的關系(xi)

基(ji)于(yu)LEfSe分析，篩選出了DST處理(li)中(zhong)的標志微(wei)生物群(qun)落。隨(sui)后，我們將標志菌群(qun)豐(feng)度與(yu)(yu)植株相(xiang)對生長速率(RGR)和整株Cd積累量(liang)之間進行相(xiang)關性分析。結(jie)果發現(xian)Pseudoxanthomonas, Aeromicrobium, Bradyrhizobium, Frankia, Saccharimonadales, Novosphingobium, Streptomyces 與(yu)(yu)整株Cd積累量(liang)顯著負相(xiang)關，與(yu)(yu)RGR顯著正相(xiang)關（圖8-10）。

圖(tu)8 細(xi)菌(a)和真(zhen)菌(b)譜系的(de)進化(hua)分布圖(tu)

圖9 生物標(biao)記類群的相(xiang)對豐(feng)度與(yu)相(xiang)對生長率(RGR)的關(guan)系(Pearson相(xiang)關(guan)分(fen)析)

圖10 生物標(biao)記類群相對豐度與全株(zhu)Cd積累的關(guan)系(Pearson相關(guan)分析)

外源多巴胺(an)調節Cd脅迫的土(tu)壤代謝(xie)

利(li)用代(dai)(dai)謝組學對(dui)各處(chu)理(li)土(tu)(tu)壤代(dai)(dai)謝物進行(xing)研究(VIP > 1，P < 0.05)。偏(pian)最小二(er)乘判(pan)別分(fen)析(PLS-DA)表明(ming)，處(chu)理(li)間(jian)存在(zai)顯(xian)(xian)(xian)著的分(fen)離。Cd脅迫和添(tian)加多巴胺(an)后，14種(zhong)(zhong)和18種(zhong)(zhong)代(dai)(dai)謝物的豐(feng)度分(fen)別發生了顯(xian)(xian)(xian)著變化。這些(xie)結果表明(ming)，外源多巴胺(an)明(ming)顯(xian)(xian)(xian)改變了鎘脅迫下(xia)土(tu)(tu)壤代(dai)(dai)謝譜。施用多巴胺(an)后，13種(zhong)(zhong)土(tu)(tu)壤代(dai)(dai)謝物相對(dui)豐(feng)度明(ming)顯(xian)(xian)(xian)上調，5種(zhong)(zhong)土(tu)(tu)壤代(dai)(dai)謝物相對(dui)豐(feng)度明(ming)顯(xian)(xian)(xian)下(xia)調(圖11)。

圖11 不同處理(li)下土(tu)壤代謝組

根際微(wei)生物(wu)群與(yu)土壤代謝物(wu)的相(xiang)關性

將(jiang)標志(zhi)微生物(wu)，差(cha)異代謝物(wu)，RGR和(he)整株(zhu)Cd積累(lei)量，共(gong)同建(jian)立(li)共(gong)線性(xing)網絡圖。結果(guo)發現(xian) (3β,5ξ,9ξ)-3,6,19-trihydroxyurs-12-en-28-oic acid (r = 0.8424)和(he)juniperic acid (r = 0.7939)的相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)豐(feng)度(du)與(yu)(yu)RGR顯著正(zheng)相(xiang)(xiang)(xiang)關。(10E,15Z)-9,12,13-trihydroxy-10,15-octadecadienoic acid (r = ?0.8182)、(3β,5ξ,9ξ)-3,6,19-trihydroxyurs-12-en-28-oic acid (r = ?0.8061)和(he)L-threonic acid (r = ?0.8061) 的相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)豐(feng)度(du)與(yu)(yu)整株(zhu)Cd積累(lei)量顯著負相(xiang)(xiang)(xiang)關。并且(qie)相(xiang)(xiang)(xiang)關代謝物(wu)和(he)微生物(wu)之間也具有(you)顯著相(xiang)(xiang)(xiang)關性(xing)。Saccharimonadales, Pseudoxanthomonas和(he)Novosphingobium 分別與(yu)(yu) L-threonic acid (r = 0.9152), profenamine (r = 0.8788)和(he)juniperic acid (r = 0.8788)顯著正(zheng)相(xiang)(xiang)(xiang)關。(3β,5ξ,9ξ)-3,6,19-trihydroxyurs-12-en-28-oic acid 與(yu)(yu)Aeromicrobium (r = 0.8545), Bradyrhizobium (r = 0.8424)和(he)Streptomyces (r = 0.8061)顯著正(zheng)相(xiang)(xiang)(xiang)關（圖12）。

圖12 生(sheng)物(wu)標記類群、土(tu)壤代謝(xie)物(wu)和相對生(sheng)長(chang)速率/全株(zhu)Cd積累(lei)的(de)共線(xian)性(xing)分析

本研究(jiu)利用土壤微生(sheng)物組和(he)代謝(xie)(xie)組聯合分(fen)析(xi)，研究(jiu)了(le)多(duo)巴胺(an)對鎘脅(xie)(xie)迫(po)下蘋果(guo)植株(zhu)(zhu)生(sheng)長(chang)的(de)(de)影響(xiang)。研究(jiu)發現(xian)，多(duo)巴胺(an)可以(yi)增強(qiang)植株(zhu)(zhu)光(guang)合作(zuo)用，激活(huo)活(huo)性氧清除系統，降低植株(zhu)(zhu)體(ti)內活(huo)性氧水平；抑制鎘吸收基因的(de)(de)表達，促進鎘解毒基因的(de)(de)表達，減少(shao)植株(zhu)(zhu)鎘積累，從(cong)而(er)緩解鎘脅(xie)(xie)迫(po)對植株(zhu)(zhu)生(sheng)長(chang)的(de)(de)抑制。此外，多(duo)巴胺(an)顯(xian)著改(gai)變了(le)土壤代謝(xie)(xie)物的(de)(de)組成以(yi)及根(gen)際微生(sheng)物群落多(duo)樣(yang)性。LEfSe分(fen)析(xi)表明(ming)多(duo)巴胺(an)可通過誘導植物招募(mu)潛在(zai)的(de)(de)有益(yi)微生(sheng)物來(lai)抵抗鎘脅(xie)(xie)迫(po)。共現(xian)網絡顯(xian)示，多(duo)巴胺(an)正(zheng)(zheng)向調(diao)(diao)節的(de)(de)幾個代謝(xie)(xie)產物與植物相(xiang)對生(sheng)長(chang)速(su)率呈顯(xian)著正(zheng)(zheng)相(xiang)關，與鎘積累則呈顯(xian)著負相(xiang)關，表明(ming)潛在(zai)有益(yi)微生(sheng)物可能被上述代謝(xie)(xie)產物所(suo)調(diao)(diao)控。研究(jiu)結果(guo)有助于今后深入(ru)研究(jiu)多(duo)巴胺(an)調(diao)(diao)控蘋果(guo)鎘脅(xie)(xie)迫(po)的(de)(de)功能機制，也為果(guo)園土壤重金屬治理提供了(le)新的(de)(de)思路和(he)策(ce)略。