2025-07-28
鎘（Cd）是一種有毒的重金屬，鎘污染不僅對環境有害，還會通過食物鏈進入人體，對人類健康構成威脅。植物修復是一種利用植物吸收和富集重金屬的生態修復技術，具有成本低、環境友好等優點。近期上海交通大學農業與生物學院周培教授團隊在微生物領域權威期刊Microbiome（影響因子12.7）上(shang)發表了題為：Nitrogen cycle induced by plant growth-promoting rhizobacteria drives “microbial partners” to enhance cadmium phytoremediation的(de)(de)研究成果，首次系統揭示了促進植物(wu)生(sheng)長的(de)(de)根(gen)瘤(liu)菌（PGPR）誘導的(de)(de)氮循環驅動“微(wei)生(sheng)物(wu)伙伴”增強(qiang)鎘的(de)(de)植物(wu)修復能力，為基于微(wei)生(sheng)物(wu)組調控的(de)(de)重金屬污染土壤修復技(ji)術(shu)開發及植物(wu)健(jian)康可持續(xu)生(sheng)產提供(gong)了理論(lun)依據(ju)。
本研(yan)究中微生(sheng)物擴(kuo)增子測(ce)序以及部(bu)分分析工作(zuo)由上海(hai)派(pai)森諾生(sheng)物科技股份有限(xian)公(gong)司完(wan)成。
一、研究方(fang)法
1、實驗設計和樣本(ben)采(cai)集(ji)
選取生長均勻、具(ju) 5-7 片(pian)真(zhen)葉的龍葵幼苗(miao)，隨(sui)后移植到(dao)含 1.5 kg Cd 污染土(tu)(tu)壤的盆(pen)中(zhong)，每處理組 10 盆(pen)，每 2 周(zhou)向土(tu)(tu)壤噴(pen)施 150 mL 菌(jun)懸液(ye)或(huo)無菌(jun)水(shui)，持(chi)續(xu)兩個月(yue)。實驗結束后采集土(tu)(tu)壤樣本(ben)、根(gen)際土(tu)(tu)壤樣本(ben)、植物根(gen)樣本(ben)和(he)植物葉片(pian)樣本(ben)。
2、微生物(wu)組測序(xu)
對樣本(ben)進行16S rRNA基因測序，確定微生物菌群群落組(zu)成(cheng)。
3、其(qi)他(ta)分析
非靶代謝組(zu)學測(ce)(ce)序、轉錄組(zu)測(ce)(ce)序和qPCR熒(ying)光定量檢測(ce)(ce)等。
圖1 整體實驗流程
二、研究(jiu)結果
1.PGPR介(jie)導(dao)的根際土壤理(li)化(hua)性質變化(hua)誘導(dao)植物修復效(xiao)果(guo)增(zeng)強
接種(zhong)PGPR菌株NCT-2能(neng)夠有(you)效提(ti)高植物S. nigrum對(dui)鎘(ge)的修(xiu)復效率（圖 2a），而(er)這種(zhong)增強作用(yong)可(ke)能(neng)主(zhu)要通過(guo)改(gai)善根際土壤S-NR活性來實現。
圖2 菌株(zhu)NCT- 2對Cd植物(wu)修(xiu)復(fu)影響以及(ji)接(jie)種菌株(zhu)NCT- 2后土壤理化(hua)指標與植物(wu)修(xiu)復(fu)指標之間的關系
2.PGPR改變了超(chao)富集植(zhi)物-土壤互作(zuo)系(xi)統中的(de)微生物群落組成(cheng)
接種(zhong)NCT-2菌(jun)株(zhu)后(hou)，對(dui)照組和接種(zhong)NCT-2菌(jun)株(zhu)組的(de)土(tu)壤細菌(jun)群落組成(cheng)在非根(gen)(gen)際、根(gen)(gen)際和葉(xie)際均存(cun)在顯(xian)著差異(yi)，而(er)葉(xie)際差異(yi)不(bu)顯(xian)著。結合PCoA和群落組成(cheng)分析，在優勢(shi)門和屬水平上，菌(jun)株(zhu)NCT- 2接種(zhong)使(shi)S. nigrum根(gen)(gen)際土(tu)壤和根(gen)(gen)內富集Bacillus，并將一些(xie)類群的(de)細菌(jun)驅向非根(gen)(gen)際土(tu)壤中。
圖3 菌株NCT- 2接種后(hou)細菌群(qun)落的變化
3.根際土(tu)壤微生(sheng)物(wu)和S-NR的動態變化與PGPR定殖(zhi)有關(guan)，PGPR定殖(zhi)富集了低(di)豐度的生(sheng)物(wu)標志(zhi)物(wu)
ASV_20544的(de)序列(lie)與菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)株(zhu)NCT-2的(de)序列(lie)完全一致，并主要定(ding)殖(zhi)在接(jie)種菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)株(zhu)NCT-2的(de)S. nigrum根(gen)際(ji)土(tu)壤和根(gen)內生境(jing)中(zhong)。回歸分析結(jie)果表明，根(gen)際(ji)土(tu)壤和根(gen)內生境(jing)中(zhong)芽(ya)孢(bao)桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)和ASV_20544之間存(cun)在高度(du)(du)顯著的(de)相關(guan)性(xing)。Mantel檢驗(yan)顯示(shi)，根(gen)際(ji)土(tu)壤中(zhong)細菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)群(qun)落的(de)變化與ASV_20544豐(feng)度(du)(du)的(de)變化顯著相關(guan)，而(er)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)株(zhu)NCT-2的(de)定(ding)殖(zhi)并未顯著影響(xiang)根(gen)內生境(jing)中(zhong)細菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)群(qun)落的(de)變化（圖4a）。此外，還觀察到根(gen)際(ji)土(tu)壤中(zhong)ASV_20544的(de)豐(feng)度(du)(du)與S-NR活性(xing)顯著正相關(guan)（圖4b）
使用LEfSe和隨機(ji)森林預測識別關(guan)鍵屬(shu)(shu)。分析表(biao)明(ming)，除(chu)了(le)(le)Bacillus屬(shu)(shu)外，菌株NCT-2接種后富(fu)(fu)集(ji)的(de)(de)其他屬(shu)(shu)在對(dui)照組根際土均為(wei)低豐(feng)度(du)(du)(du)細菌（相對(dui)豐(feng)度(du)(du)(du)低于0.1%），而在菌株NCT-2接種后，其中一半(ban)的(de)(de)相對(dui)豐(feng)度(du)(du)(du)超過了(le)(le)0.1%。此外，還發現大多數富(fu)(fu)集(ji)的(de)(de)生物(wu)標志(zhi)物(wu)的(de)(de)豐(feng)度(du)(du)(du)與菌株NCT-2的(de)(de)定殖(zhi)豐(feng)度(du)(du)(du)顯著正相關(guan)（圖(tu)4c-d）。
圖4 菌株NCT- 2定植與(yu)土(tu)壤細菌群落和硝酸鹽還原(yuan)酶的關系及其(qi)對(dui)根(gen)際土(tu)壤富集(ji)生物標志物和代謝譜的影(ying)響
4.與關(guan)鍵微生物類(lei)群相關(guan)的潛在代(dai)謝物
菌(jun)株NCT-2接種(zhong)(zhong)后(hou)，153種(zhong)(zhong)代(dai)(dai)謝物(wu)(wu)發生(sheng)了顯著變化，其(qi)中114種(zhong)(zhong)代(dai)(dai)謝物(wu)(wu)顯著上調(diao)。差異表達代(dai)(dai)謝物(wu)(wu)（DEMs）KEGG通(tong)路富集(ji)分(fen)析(xi)發現，五條(tiao)通(tong)路在(zai)菌(jun)株NCT-2接種(zhong)(zhong)下顯著上調(diao)，包括色氨酸(suan)代(dai)(dai)謝、花生(sheng)四(si)烯酸(suan)代(dai)(dai)謝、苯丙素生(sheng)物(wu)(wu)合成等（圖4e）。
DEMs與關(guan)(guan)(guan)鍵(jian)細(xi)菌(jun)屬、ASV_20544豐(feng)度以及S-NR之間(jian)相關(guan)(guan)(guan)性分(fen)析發現關(guan)(guan)(guan)鍵(jian)屬中的(de)(de)(de)Lysobacter顯(xian)示出最大(da)的(de)(de)(de)連接度，并與大(da)多數DEMs顯(xian)著相關(guan)(guan)(guan)（圖5）。結構(gou)方程模型(xing)（SEM）進一(yi)步解釋(shi)了這四個因(yin)素之間(jian)的(de)(de)(de)關(guan)(guan)(guan)系（圖6）：菌(jun)株在根(gen)際的(de)(de)(de)定(ding)殖刺激了S-NR活性的(de)(de)(de)增加，進而改變了根(gen)際的(de)(de)(de)代謝(xie)特征(zheng)，推(tui)動了關(guan)(guan)(guan)鍵(jian)類群的(de)(de)(de)富集。
圖(tu)5 DEMs、關鍵細菌屬、ASV_20544豐度以(yi)及S-NR的相關性網絡圖(tu)
圖(tu)6 結構方程模型（SEM）描述了菌株NCT-2接種影響根(gen)際土(tu)壤中差異表達(da)代謝(xie)物和關鍵稀有類群的主要途徑
5.合成菌群的構建(jian)及簡化
由 8 個(ge)分離獲得的(de)關鍵菌(jun)株(zhu)和(he)NCT-2 組(zu)成一個(ge)合(he)成菌(jun)群SynCom，然(ran)后(hou)進行單株(zhu)菌(jun)敲除實驗，結果表明當分別敲除Lysobacter、Microbacterium或菌(jun)株(zhu)NCT-2時，合(he)成群落(luo)無(wu)法有效提高(gao)S-NR活性及S. nigrum中的(de)鎘(ge)積(ji)(ji)累（圖(tu)7a-b）。因此構建(jian)了一個(ge)由Lysobacter（Sn319）、Microbacterium（Sn486）和(he)菌(jun)株(zhu)NCT-2組(zu)成的(de)簡(jian)化合(he)成菌(jun)群SynCom3，并驗證(zheng)了與單獨接(jie)種菌(jun)株(zhu)NCT-2相比，SynCom3接(jie)種顯(xian)著提高(gao)了植株(zhu)生物量、鎘(ge)濃(nong)度、鎘(ge)積(ji)(ji)累和(he)根際S-NR（圖(tu)7c–f）。
當(dang)單(dan)獨接(jie)(jie)種(zhong)時(shi)，菌株(zhu)NCT-2在(zai)根際(ji)土壤中(zhong)(zhong)的豐(feng)度(du)(du)相對較低，而在(zai)SynCom3接(jie)(jie)種(zhong)下(xia)，其定(ding)(ding)殖(zhi)豐(feng)度(du)(du)顯(xian)著增(zeng)加了335.70%（圖7g）。在(zai)單(dan)獨接(jie)(jie)種(zhong)NCT-2的組(zu)中(zhong)(zhong)未檢測到Lysobacter（Sn319）和Microbacterium（Sn486）的定(ding)(ding)殖(zhi)，但(dan)在(zai)SynCom3接(jie)(jie)種(zhong)組(zu)中(zhong)(zhong)成功(gong)檢測到它們的定(ding)(ding)殖(zhi)（圖7g），并(bing)且它們的定(ding)(ding)殖(zhi)豐(feng)度(du)(du)與NCT-2菌株(zhu)的定(ding)(ding)殖(zhi)豐(feng)度(du)(du)顯(xian)著正相關（圖7i）。此外，qPCR結果還表(biao)明(ming)，S-NR的關鍵(jian)編碼基因nasC在(zai)SynCom3接(jie)(jie)種(zhong)下(xia)表(biao)達(da)水(shui)平(ping)更(geng)高(gao)（圖7h）。
圖7 不同合成(cheng)群(qun)落對黑曲霉修(xiu)復(fu)Cd的影響
6.SynCom3誘(you)導苯丙烷生物合成和(he)色(se)氨(an)酸代謝途徑的(de)富集(ji)
利用轉(zhuan)錄組測序技(ji)術研究了接(jie)(jie)種SynCom3的(de)S. nigrum根(gen)部差異(yi)表達基(ji)(ji)因（DEGs）的(de)轉(zhuan)錄譜。功能注釋分(fen)析顯示，這(zhe)些DEGs主要集中在碳水化合(he)物(wu)(wu)代謝(xie)和氨基(ji)(ji)酸代謝(xie)等代謝(xie)類(lei)別(bie)中（圖(tu)8a）。KEGG富集分(fen)析進一步表明(ming)，在SynCom3接(jie)(jie)種下，苯(ben)丙素生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)合(he)成、泛醌(kun)和其他萜(tie)類(lei)-醌(kun)類(lei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)合(he)成、苯(ben)丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)合(he)成等途(tu)徑顯著富集（圖(tu)8b）。
對S. nigrum根部進(jin)行非靶向代(dai)謝組學(xue)分析結(jie)果表(biao)(biao)(biao)明(ming)(ming)，與單(dan)獨接(jie)(jie)(jie)種(zhong)(zhong)菌(jun)株NCT-2相比，SynCom3接(jie)(jie)(jie)種(zhong)(zhong)下根部有118種(zhong)(zhong)代(dai)謝物(wu)表(biao)(biao)(biao)現出顯著差異。對DEMs進(jin)行KEGG通路富(fu)(fu)集分析發(fa)現苯丙素生物(wu)合(he)成(cheng)和(he)色氨酸代(dai)謝途(tu)(tu)徑(jing)在SynCom3接(jie)(jie)(jie)種(zhong)(zhong)下再(zai)次(ci)顯著富(fu)(fu)集（圖8c），且這些途(tu)(tu)徑(jing)中的(de)相關代(dai)謝物(wu)與單(dan)獨接(jie)(jie)(jie)種(zhong)(zhong)菌(jun)株NCT-2相比均顯著上(shang)調(diao)，進(jin)一步表(biao)(biao)(biao)明(ming)(ming)SynCom3接(jie)(jie)(jie)種(zhong)(zhong)在增強鎘修復(fu)過程中刺(ci)激了S. nigrum根部的(de)這兩個途(tu)(tu)徑(jing)。對這兩個途(tu)(tu)徑(jing)中的(de)DEMs與SynCom3各成(cheng)員的(de)定殖豐(feng)度之間的(de)相關性(xing)分析表(biao)(biao)(biao)明(ming)(ming)，Lysobacter和(he)Microbacterium的(de)豐(feng)度與DEMs顯著正(zheng)相關，而菌(jun)株NCT-2與DEMs的(de)直接(jie)(jie)(jie)關系相對較弱（圖8d–f）。再(zai)次(ci)證明(ming)(ming)在菌(jun)株NCT-2 接(jie)(jie)(jie)種(zhong)(zhong)下，這兩種(zhong)(zhong)合(he)作伙伴的(de)富(fu)(fu)集可能由 DEMs 直接(jie)(jie)(jie)驅動。
圖8 接(jie)種SynCom3或單一NCT-2菌(jun)株的(de)S. nigrum根部的(de)轉錄(lu)和代謝特征
三、研究結論
本研究系統闡明了(le)(le)外(wai)源植(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)(wu)根際促生(sheng)菌(jun)（PGPR）菌(jun)株(zhu) NCT-2 增強(qiang)S. nigrum鎘污染土(tu)壤(rang)修復能力(li)的作用機制。研究發(fa)現(xian)，菌(jun)株(zhu) NCT-2 主要(yao)通過提升根際土(tu)壤(rang)硝酸(suan)鹽還原酶(mei)（S-NR）活(huo)性，優(you)化氮素循(xun)環效率，進而促進植(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)(wu)對(dui)養分(fen)的吸收與(yu)(yu)鎘修復能力(li)。進一步研究表明，S-NR 活(huo)性與(yu)(yu)菌(jun)株(zhu) NCT-2 的根際定植(zhi)(zhi)(zhi)豐度呈顯著正相(xiang)關，其(qi)定植(zhi)(zhi)(zhi)過程可通過重塑根際細菌(jun)群落(luo)結構，富集低豐度有(you)益菌(jun)屬，同步改變土(tu)壤(rang)代(dai)謝(xie)譜。此(ci)外(wai)，研究以 NCT-2 為核(he)心(xin)，聯合兩個(ge)低豐度菌(jun)屬構建了(le)(le)簡化合成菌(jun)群，并驗證了(le)(le)其(qi)修復有(you)效性。通過轉錄組學與(yu)(yu)非靶向代(dai)謝(xie)組學分(fen)析證實(shi)，苯丙(bing)類生(sheng)物(wu)(wu)合成途徑與(yu)(yu)色(se)氨酸(suan)代(dai)謝(xie)通路在菌(jun)株(zhu)增強(qiang)植(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)(wu)修復過程中發(fa)揮關鍵調控作用。
圖(tu)9 PGPR通過改變根際微環境增(zeng)強其對Cd植物修復(fu)作(zuo)用的假設(she)機制(zhi)示意圖(tu)
原文(wen)引(yin)用(yong)：Chi Y, Ma X, Chu S, You Y, Chen X, Wang J, Wang R, Zhang X, Zhang D, Zhao T, Zhang D, Zhou P. Nitrogen cycle induced by plant growth-promoting rhizobacteria drives "microbial partners" to enhance cadmium phytoremediation. Microbiome. 2025 May 6;13(1):113. doi: 10.1186/s40168-025-02113-x. PMID: 40329393; PMCID: PMC12054286.
原文鏈接(jie)：//microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-025-02113-x
