Deinococcus sp. NH1 通過調節根際微生物群和植物代謝來增強水稻對鎘的耐受性
《Journal of Hazardous Materials》：Deinococcus sp. NH1 enhances cadmium tolerance in rice by modulating rhizosphere microbiome and plant metabolism
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水稻鎘脅迫緩解機制：內生菌Deinococcus sp. NH1通過調控宿主基因表達、重塑根際微生物群落及代謝重編程實現多重協同作用，顯著提高水稻抗鎘能力及產量，為重金屬污染土壤生物修復提供新策略。
李丹丹|刁志凱|舒愛萍|甘淑榮|張文雪|張一奇|熊麗|魏大敏|何龍鑫|史文忠|孫剛|袁福生|劉增兵|高正
中國山東省農業大學生命科學學院小麥改良國家重點實驗室，泰安，271018
摘要
鎘脅迫威脅著水稻的安全和農田管理。為了研究高鎘耐受性Deinococcus在緩解植物鎘脅迫中的作用，本研究通過16S rRNA基因測序和全基因組平均核苷酸同源性分析，鑒定出一種具有高鎘耐受性和促進生長潛力的Deinococcus菌株NH1。在鎘脅迫條件下，接種NH1顯著緩解了水稻的生長抑制，使植株高度、鮮重和根系密度顯著增加。在含有10 mg/kg鎘的土壤中，NH1接種下調了原本上調的與鎘解毒和脅迫響應相關的基因，同時上調了生物合成和能量代謝基因。鎘減少了根際細菌的多樣性，但NH1恢復了多樣性并誘導了群落重組，顯著豐富了有益微生物，如Massilia和Haliangium。在代謝水平上，NH1處理改變了根際代謝組，其中萜類化合物以及與這些有益微生物顯著正相關的類黃酮和苯丙素（如5-O-甲基embelin和亞油酸）可能起著關鍵作用。總之，NH1通過調節宿主基因表達、恢復和重塑根際微生物群落結構以及促進有益微生物-代謝產物的相互作用，增強了水稻對鎘脅迫的耐受性。本研究為植物-微生物在減輕重金屬脅迫中的相互作用提供了新的見解。
引言
土壤重金屬污染，特別是鎘（Cd）污染，已成為全球農業生產和食品安全面臨的嚴重挑戰[1]。鎘具有高化學反應性、強溶解性和移動性以及持久的毒性，容易被植物吸收、運輸和積累，造成嚴重損害[2]、[3]。鎘以二價離子的形式進入植物根系后，主要在根細胞壁或液泡中被螯合[4]。未螯合的鎘通過運輸蛋白進入木質部，主要通過蒸騰作用從根部轉移到莖部[5]。從莖木質部釋放后，鎘通過維管系統進入韌皮部，最終在葉片和籽粒等組織中積累[6]。鎘的積累會引發一系列毒性效應，包括抑制種子萌發和生長、破壞光合作用系統、干擾必需礦物質的吸收和運輸，以及誘導氧化應激和細胞損傷[7]、[8]。農作物中的鎘容易通過食物鏈進入人體，影響多個器官，導致骨質流失和冠心病等疾病，對人類健康構成威脅[9]、[10]。因此，開發高效、環保的鎘污染預防和控制策略對于應對鎘污染和保護人類健康具有重要意義。
鎘脅迫可以誘導水稻產生一系列生理防御和解毒反應[11]，主要包括根部分泌特定物質與鎘結合，降低其生物可利用性[12]；通過物理吸附和化學固定將鎘離子保留在根表面[13]；以及將鎘固定在細胞壁內形成不溶性復合物，從而減少其向地上部分的轉移[14]。作為土壤生態系統中的關鍵組成部分，微生物在重金屬的轉化、遷移和解毒中發揮著重要作用[15]、[16]、[18]。應用具有特定代謝能力或調節植物生理反應特性的微生物菌株來減輕植物中的重金屬脅迫，已成為植物脅迫生物學和農業微生物學領域的研究重點[19]、[20]。研究表明，特定的促生長根際細菌（PGPR）通過基因組適應進化出鎘（Cd）解毒機制。例如，Pseudomonas fluorescens通過介導AtPCR2的表達來增強Arabidopsis thaliana的鎘抗性[21]。硫酸鹽還原菌通過硫同化途徑提高植物對重金屬的耐受性，同時上調苯丙素生物合成相關基因（OsCAD、Os4CL、OsCOMT、OsPOD、OsC3H和OsPAL），并下調重金屬轉運基因（OsHMA2和OsIRT1[22]。值得注意的是，對微生物群落結構的靶向調控可能直接影響根際微環境——微生物代謝產生的有機酸（如草酸和檸檬酸）會改變土壤pH值和氧化還原電位，促進鎘從可交換態向殘余態的轉化[23]。在植物響應層面，根細胞通過動態表達重金屬轉運基因（如HMA3和NRAMP1）實現鎘的區室化[24]，而苯丙素代謝途徑的激活則通過木質素沉積建立物理屏障[25]。然而，目前的研究主要集中在單一菌株或單一相互作用的角度上，對功能性微生物如何通過整合微生物組重塑、基因調控和代謝重編程的三方網絡協同增強植物鎘耐受性的系統理解仍然有限。因此，闡明這些機制對于優化生物修復策略和提高植物脅迫抵抗力具有重要的理論和實踐意義。
Deinococcus radiodurans是一類革蘭氏陽性細菌，以其對極端環境的非凡適應性而聞名，尤其是其卓越的輻射耐受性、抗氧化能力和重金屬耐受性[26]、[27]。這種細菌的獨特生理特性包括高效的DNA損傷修復系統（如RecA介導的同源重組）、豐富的抗氧化酶（如超氧化物歧化酶和過氧化氫酶）以及多樣的重金屬解毒機制（如外排泵和金屬螯合蛋白），使其能夠在高輻射暴露、氧化應激和重金屬污染等惡劣條件下生存[17]、[28]、[29]、[30]。研究表明，Deinococcus菌株不僅具有內在的重金屬耐受性，還攜帶能夠緩解水稻中鎘（Cd）和鉛（Pb）毒性的特定突變菌株[27]。這些特性凸顯了其在重金屬污染土壤生物修復和安全作物生產中的重要應用潛力。
本研究重點探討了Deinococcus菌株NH1在緩解水稻鎘脅迫方面的潛力。先前的研究表明，Deinococcus細菌通常表現出對環境脅迫的卓越耐受性，包括對重金屬的耐受性[26]、[27]。然而，NH1菌株通過其固有特性緩解鎘脅迫的機制，以及其對根際微環境、宿主植物生理反應和根際代謝物譜的調控作用仍不清楚。因此，本研究旨在系統探討NH1菌株緩解水稻鎘脅迫的機制。基于這些前提，我們假設NH1菌株通過多維機制緩解水稻中的鎘毒性，包括調節根部的脅迫響應基因、重塑根際代謝物譜以及豐富有益微生物。
實驗部分
NH1菌株的鎘耐受性檢測
我們實驗室先前從土壤樣本中分離并保存的NH1菌株，以2%（v/v）的接種量接種到LB液體培養基中。在28°C下以180 rpm的速度孵育24小時后，測量了細菌懸浮液的光密度（OD600），并通過稀釋將其調整至0.5。將這種懸浮液（2% v/v接種量）轉移到添加了不同濃度CdCl2（0、5、10、15、20、40、60、100、150、200和250 mg/L）的新鮮LB液體培養基中。
Deinococcus sp. NH1有效減輕了水稻在鎘脅迫下的生長抑制
在LB固體培養基上培養3天后，NH1菌株的菌落呈現橙紅色，表面光滑，邊緣規則且清晰，直徑在2至3 mm之間（圖1a）。NH1菌株能夠在含有5 mg/L Cd2+（以CdCl2形式提供）的LB培養基中正常生長。當培養基中的Cd2+濃度達到10 mg/L時，NH1菌株的生長受到顯著抑制，48小時后的OD值僅與對照組（不含Cd的LB培養基）相當。
討論
本研究從多個維度系統探討了Deinococcus sp. NH1緩解水稻鎘（Cd）脅迫的機制，包括菌株特性、根際微生物群落調控、宿主生理反應和代謝變化。結果表明，NH1菌株本身具有很強的鎘耐受性，同時通過調節根際細菌群落結構來增強水稻對鎘脅迫的抵抗力
結論與展望
本研究闡明了Deinococcus sp. NH1通過多種機制緩解水稻鎘脅迫的作用，包括微生物群落調節以及植物基因和代謝的重新編程。具體而言，NH1菌株表現出高達150 mg/L的鎘耐受性。它可以調節根際細菌群落，恢復鎘脅迫下受損的微生物多樣性，并特別豐富潛在有益的屬，如Massilia和Haliangium，從而增強水稻的抗性
環境影響
農業土壤中的鎘污染危及作物安全和生態系統健康。本研究揭示了Deinococcus sp. NH1通過調節基因表達、重塑根際微生物組以及促進有益細菌和代謝途徑來增強水稻對鎘的耐受性。這些發現為減輕作物中的重金屬毒性、減少鎘進入食物鏈以及提高受污染地區的農業安全提供了可持續的微生物策略
CRediT作者貢獻聲明
張一奇：數據驗證、軟件處理。張文雪：寫作-審稿與編輯、實驗研究。魏大敏：軟件處理、數據管理。熊麗：數據可視化、實驗研究。高正：寫作-審稿與編輯、驗證、監督、資源管理、項目管理、方法學研究、實驗研究、資金獲取。舒愛萍：寫作-審稿與編輯、方法學研究、實驗研究、數據管理。劉增兵：寫作-審稿與編輯、監督、項目管理、實驗研究
利益沖突聲明
作者聲明以下可能被視為潛在利益沖突的財務利益/個人關系。劉增兵報告獲得了中國國家重點研發計劃的支持。劉增兵還獲得了江西農業科學院基礎研究及人才培養項目的支持。劉增兵還獲得了江西省自然科學基金的支持。高正獲得了國家自然科學基金的支持
致謝
本研究得到了中國國家重點研發計劃（2023YFD2301301, 2017YFD0301601）、江西農業科學院基礎研究及人才培養項目（JXSNKYJCRC202315）、江西省自然科學基金（20232BAB215012）、國家自然科學基金（42377309, 42407427）、山東省科技創新青年人才項目（SDAST2024QTA012）以及“一流學科”建設項目資金的支持
