優秀！研究成果登上Science、Mol Plant、Nat Plants等著名期刊，這個實驗室總結重金屬污染對植物和土壤的影響及相關指標

隨著工業化進程的加速，重金屬污染問題日益嚴重。與有機物不同，重金屬本身難以降解，容易在環境中持續積累。當土壤中重金屬含量高于安全標準時，就會導致生態環境惡化，這種現象就是重金屬污染。污染土壤中的重金屬會在土壤和植物中進一步積累，最終對人類健康構成威脅。

一、重金屬污染的概述

重金屬因其高密度、強毒性及不易降解等特性，在環境中具有嚴重的潛在危害。常見的重金屬污染物包括鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）和鉻（Cr）等。

這些重金屬可以通過自然和人為途徑進入環境，并且沉積在土壤、水體或空氣中。一部分重金屬離子會附著在土壤中的礦物顆粒上，或者通過化學反應以沉淀的形式被固定在土壤中，另一部分被植物根系吸收，然后運輸至植物地上部分，被食植性動物食用后積累在動物體內；在水中，重金屬離子被懸浮顆粒吸附后沉降至水底，被一些生物食用。最終，這些生物不可降解的重金屬都會進入食物網，通過食物鏈進行積累，并在濃度到達一定范圍后，對人類以及動植物的健康產生有害影響。

二、重金屬污染對土壤的影響

一旦土壤中重金屬含量增加，超過其自身承載能力，就會導致土壤質量下降，進而引起農作物減產和農產品質量降低。重金屬污染對土壤生態系統的影響主要體現在以下幾個方面：

（1）重金屬對土壤微生物量的影響

土壤中，微生物類群主要包括細菌、真菌、放線菌等，其中以細菌的種類及數量最多，其次是放線菌，不過，具體的組成比例會因土壤類型及周邊環境的不同而存在差異。土壤微生物數量的變化能較敏感地反映土壤環境質量的變化。將外源重金屬添加到土壤中，結果發現，土壤中三大類微生物數量均呈現下降趨勢。嚴重的重金屬污染能抑制土壤微生物的生長，降低其生物量，其中細菌數量減少最明顯，放線菌次之，最后為真菌。

（2）重金屬對土壤微生物群落的影響

土壤微生物群落能夠較好地反映土壤穩定性及生態機制。一般來說，土壤長期受到重金屬的污染，會減弱土壤微生物的作用，使得土壤微生物群落數量明顯減少，部分物種甚至會消失，最終導致土壤質量降低。例如，隨著5種重金屬（As、Cd、Zn、Pb和Cu）污染程度的增加，土壤中細菌和真菌群落的多樣性均呈明顯下降趨勢，其中，重金屬污染對真菌種群豐富度的影響比細菌更明顯。重度重金屬污染對土壤微生物有抑制作用，輕度重金屬污染對土壤微生物有激活作用。

（3）重金屬對土壤酶活性的影響

在土壤微生物中，土壤的發育、肥力形成、轉化及凈化等生物化學代謝過程幾乎都是在土壤酶的參與下完成的。由此可見，土壤酶是土壤微生物化學代謝過程的重要參與者，其活性大小不但反映土壤肥力及代謝進程，而且反映土壤重金屬污染程度，因此它是研究重金屬污染土壤微生物特征的重要途徑。土壤酶種類龐雜，其中被廣泛關注的是包括過氧化氫酶、脫氫酶、脲酶及堿性磷酸酶等在內的與碳、氮、磷循環相關的幾種酶。

（4）重金屬對土壤呼吸強度的影響

土壤呼吸是指土壤微生物進行代謝而產生CO2的過程。土壤呼吸強度能有效反映土壤微生物的代謝能力和活性，是衡量土壤微生物總活性的重要指標之一。以山林土和田園土為研究對象，結果發現，Cd對土壤微生物活性有明顯的抑制作用，隨著Cd含量的升高，土壤呼吸強度、土壤酶活性（過氧化氫酶及脲酶）均呈下降趨勢。因此，土壤呼吸強度的下降是重金屬脅迫下土壤微生物群落代謝活性減弱的重要體現。

三、重金屬污染對植物的影響

土壤中的大部分微量元素是植物生長發育過程中必需的。對于不同的重金屬元素，每種植物都有一定的耐受范圍。適宜的濃度有利于促進植物的萌發和生長，但如果重金屬濃度過高，則會導致植物中毒。

（1）重金屬離子對植物種子萌發的影響

重金屬對植物種子萌發有著促進作用和抑制作用。抑制效果隨重金屬離子濃度和脅迫時間的增加而增加。研究發現，當用低濃度的重金屬溶液脅迫植物種子時，可促使種子的萌發，而當使用高濃度重金屬溶液脅迫時，呈現的是抑制萌發。用不同濃度的銅離子溶液對波斯菊種子進行脅迫處理，研究發現，隨著銅離子濃度的增加，波斯菊花種子的發芽勢、發芽率和發芽指數先升高后降低；并且根和苗高的抑制作用也增強。

（2）重金屬對植物生長發育的影響

Cd，As，Pb等重金屬是植物生長的非必需元素，毒性大，可破壞植物生化活性。重金屬進入植物體內，會與植物細胞核發生協同作用，改變葉綠體內部結構，減少葉綠素生成，抑制光合作用相關酶的活性，進而抑制植物的光合作用，使植株表現為矮小、葉枯黃。一定濃度的重金屬元素，會影響植物對必需元素的吸收并產生拮抗作用，濃度高時可直接導致植物死亡。

（3）重金屬對植物細胞膜透性的影響

植物細胞膜是防止細胞外物質自由進入細胞的天然屏障，同時也為植物生理生化反應提供了穩定的環境。植物細胞膜最重要的特性即選擇透過性，有選擇地調節、控制細胞內外物質的運輸和交換。當植物受到重金屬脅迫時，細胞膜的選擇性機能受損，透性增加，影響植物葉片細胞質膜的組成。植物失去了保護屏障，離子和有機物滲出細胞膜外，有害物質進入細胞內，從而影響了細胞內酶及代謝反應。通常通過測定植物細胞膜外滲透液電導度和鉀離子含量來研究重金屬對細胞膜的傷害程度。

（4）重金屬對植物游離脯氨酸的影響

游離脯氨酸是植物體內水溶性最大的氨基酸，其疏水端與蛋白質結合，親水端與水分子結合。蛋白質利用其較強的水合能力束縛水分子，防止植物體在滲透脅迫條件下脫水變性。當植物細胞含水量很低時，游離脯氨酸能提供足夠水分，保證植物細胞正常的生理活動。植物處于逆境脅迫時，游離脯氨酸含量顯著增加。因此，游離脯氨酸含量對植物所處環境具有一定指示作用。重金屬脅迫致使植物體水分缺失，通過產生一定量的脯氨酸來調節植物細胞水分平衡，降低植物細胞受損程度。

（5）重金屬對植物保護酶系統的影響

重金屬脅迫使植物產生大量自由基，自由基過多可破壞植物細胞膜。SOD，POD，CAT是植物重要的抗氧化酶，可清除過量的自由基。SOD可將O2-轉化為H2O2，CAT與POD可將H2O2轉化為H2O和O2。3種酶協同作用，可使植物免受自由基損害。重金屬濃度低時，保護酶活性在活性氧自由基誘導下上升；而隨著脅迫程度增加，SOD，POD，CAT活性降低，最終使植物細胞受到迫害。Cu，Fe，Cd均通過增加植物自由基對植物造成毒害，Cu能力最強，Cd最弱。因Cu直接參加植物生理反應使植物自由基增加，Cd則是通過降低清除H2O2的酶活性導致H2O2積累，破壞植物保護酶系統，影響植物對重金屬的抗性。

四、土壤重金屬的植物與微生物修復機制

（1）植物對重金屬的修復機制

• 植物揮發是利用某些植物特殊的根系對所處位置土壤中的重金屬進行吸收或者是植物的根莖產生的物質與重金屬反應，使其升華為氣態，揮發到空氣中，從而起到土壤重金屬的凈化。

• 植物固著的原理是某些植物在土壤中的部分，可以通過本身吸收養分過程中或者分泌某些物質與土壤中的重金屬進行反應，使重金屬從分子變成原子甚至高價態離子，從而固著在植物上，隨著植物的土壤下部分被清除，土壤或地下水中的重金屬含量也會下降，達到將土壤中重金屬分離的目的。

• 植物提取與植物固著有著類似的原理，通過某些特定植物的種植，重金屬通過植物的根系吸收，源源不斷轉移到植物的地上部分，隨著植物地上部分的清除，相應土壤中的重金屬含量會隨著下降。

（2）微生物對重金屬污染土壤的修復機制

微生物廣泛存在于土壤中，其對重金屬土壤的修復凈化同樣起著不可或缺的作用。首先，有的微生物在存活過程中，會吸收土壤中的重金屬，從而降低重金屬含量，起到保護植物的作用。其次，微生物在自身生長過程中，產生的某些物質，可以作為植物吸收重金屬的催化劑，如有機酸和養分。

（3）不同植物對土壤重金屬的修復作用差異

不同植物對不同種類重金屬的修復作用存在差異。研究發現，莧菜、狗尾草和紫薇可作為鎘高富集植物來凈化土壤，紫花苜蓿、芒萁、蟛蜞菊、臭牡丹、馬尾松、木姜子、臭椿、枳、鳳尾蕨可作為修復鎘先行植物。車前、紫花苜蓿、蘆葦、銀合歡、爬山虎、野薔薇、云南黃馨、臭椿和紫穗槐對重金屬鋅的富集能力較強。夏至草、芒萁對重金屬鉛的富集系數較高，為鉛超富集植物；除此之外，紅豆草、蘆葦、銀合歡、臭椿、梭梭、馬桑、臭牡丹、馬尾松、木姜子、茉莉花、金葉女貞、黃刺玫和美洲黑楊對鉛的富集和轉運能力較強。蜈蚣草可作為修復砷污染的先行植物，對砷的富集和轉運能力較強的還有芒萁、臭牡丹、馬尾松和木姜子。旋刺花、大花紫薇、紅豆草、爬墻虎和梭梭對重金屬銅有一定的富集潛力。

五、文獻分享

促進植物生長內生菌的單獨和聯合接種提高蓖麻對銅/鎘污染土壤的修復

期刊名稱：Journal of Hazardous Materials

影響因子：12.2

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.138750

1.研究內容

農田土壤中的重金屬會直接影響農作物的生長和發育，導致農產品生產安全問題，進而威脅人類健康。近年來，許多研究提出使用對重金屬具有良好耐受性和積累能力的高生物量經濟作物來修復受污染的土壤。蓖麻（Ricinus communis L.）因其高積累能力而具有修復重金屬污染土壤的潛力。本研究使用了四種內生菌株（TR16、TR18、TR21和YS3），以研究它們單獨和聯合接種對蓖麻吸收銅/鎘以及兩種土壤（堿性S1，酸性S2）根際理化性質的影響。結果表明，蓖麻對銅/鎘的吸收量在內生菌株聯合接種處理中最高。接種處理顯著提高了根際土壤中蔗糖酶、酸性和堿性磷酸酶的活性。草酸和可溶性有機碳（DOC）含量顯著增加，提高了土壤中銅/鎘的生物有效性。菌株TR18、TR21和YS3可成功定殖于根際土壤中。內生菌接種增加了參與土壤養分循環的細菌的相對豐度，且效果各異。根據轉錄組分析表明，苯丙烷生物合成、谷胱甘肽代謝、半胱氨酸和蛋氨酸代謝以及抗氧化酶活性在增強蓖麻對重金屬的耐受性方面發揮重要作用。TR21接種可提高植物對銅/鎘的抗性。

本研究的主要內容如下：（1）研究內生菌單獨和聯合接種對兩種土壤（堿性S1，酸性S2）中蓖麻積累銅/鎘的影響；（2）評估內生菌接種對土壤根際環境及微生物群落結構的影響和調控作用；（3）利用轉錄組分析揭示內生菌接種提高蓖麻對重金屬耐受性的可能分子機制。

2.研究結果

（1）兩種污染土壤中蓖麻的生物量

內生菌單獨和混合接種（H1：混合接種菌株TR16、TR18、TR21和YS3；H2：混合接種菌株TR16、TR18和TR21）對兩種土壤中蓖麻生長的影響（圖1）。蓖麻能夠在堿性（S1）和酸性（S2）重金屬污染土壤中良好生長。每種接種處理均顯著促進了蓖麻的生長，并增加了其根生物量、地上生物量和蒴果產量。在S1土壤中，單獨和混合接種使蓖麻根、莖和蒴果的干重分別增加了18.1%-37.3%、17.3%-27.3%和10.6%-25.9%。其中，與菌株TR16、TR18和TR21的單獨接種處理相比，這三種內生菌的混合接種（H2處理）促進更高的根和莖生物量，蓖麻的地上生物量在H2處理下最高。在S2土壤中，菌株TR16、TR18、TR21和YS3的單獨和混合接種使蓖麻根、莖和蒴果的干重分別增加了24.0%-43.8%、24.4%-42.5%和7.3%-21.0%。其中，H1處理的蓖麻地上生物量最高。

圖1. 內生菌接種對S1（堿性）和S2（酸性）土壤中蓖麻生長的影響。相同顏色條形上的不同字母表示處理間存在顯著差異（p<0.05；Duncan）。CK：未接種處理；TR16：接種菌株TR16；TR18：接種菌株TR18；TR21：接種菌株TR21；YS3：接種菌株YS3；H1：混合接種菌株TR16、TR18、TR21和YS3；H2：混合接種菌株TR16、TR18和TR21。

（2）兩種污染土壤中蓖麻的銅/鎘含量和積累

如圖2A-D所示，S2土壤中蓖麻根的銅含量顯著高于S1土壤，莖的銅含量也表現出類似趨勢。與未接種處理相比，接種處理在不同程度上提高了蓖麻根的銅濃度（圖2A和B）。在S1中，TR16、TR21、YS3、H1和H2處理顯著提高了蓖麻根的銅含量，增加了36.3%-58.5%。在S2中，TR21、H1和H2處理顯著提高了根的銅含量，增加了20.2%-29.3%。此外，在兩種土壤中，H2處理下的根銅含量最高。在S1中，TR18、TR21、YS3、H1和H2處理下，莖的銅含量顯著增加了10.7%-30.9%。在S2中，H1接種使莖的銅含量顯著增加了6.4%。內生菌的單獨和混合接種有效促進了兩種土壤中蓖麻組織對銅的積累，S2中的總銅吸收量明顯高于S1。對于S1，與CK處理相比，蓖麻根和莖的銅積累分別顯著增加了40.3%-108.8%和33.2%-67.1%。與CK處理的527μg/株相比，H1和H2處理下蓖麻的總銅吸收量分別達到918μg/株和984μg/株。此外，與TR16、TR18和TR21的單獨接種處理相比，聯合接種處理（H2）對增強蓖麻中銅積累的效果更為顯著。對于S2，在接種處理下，蓖麻根和莖中的銅積累分別增加了47.0%-58.7%和19.5%-51.4%。盡管在這些接種處理之間，蓖麻根中銅的總積累量沒有顯著差異，但H1處理的蓖麻地上部分銅積累量最高（622μg/株）。

蓖麻組織中的鎘含量和積累情況見圖2E-H。在S1中，蓖麻根和莖的鎘含量在六種接種處理下分別增加了7.6%-35.3%和5.2%-17.1%。在S2中，H1和H2處理顯著增加了蓖麻根的鎘含量，分別增加了26.5%和32.0%，而TR21和YS3處理也在一定程度上增加了根的鎘含量，但差異不顯著。TR16、H1和H2處理分別增加了蓖麻莖的鎘含量14.5%、19.7%和3.3%。與四種內生菌單獨接種相比，兩種混合接種處理（H1和H2）在增加根鎘含量方面效果更為顯著，且在H2處理下觀察到最高的根鎘含量。

與CK處理相比，在S1土壤中，接種處理使蓖麻根和莖的鎘積累分別增加了28.4%-72.4%和27.5%-46.6%。在H2處理下，鎘的總吸收量達到40.7μg/株，地上部分鎘積累量也最高，為31.1μg/株。在S2土壤中，蓖麻根和莖的鎘積累分別增加了14.6%-63.9%和22.8%-72.3%。在H1和H2處理下，蓖麻對鎘的總吸收量高于四種單獨接種處理，分別為57.1μg/株和49.6μg/株。在H1處理下，觀察到最大的莖鎘吸收量，為38.0μg/株。

圖2. 內生菌接種對蓖麻中銅/鎘濃度和積累的影響。S1土壤中蓖麻的銅濃度(A)和積累(C)；S2土壤中蓖麻的銅濃度(B)和積累(D)；S1土壤中蓖麻的鎘濃度(E)和積累(G)；S2土壤中蓖麻的鎘濃度(F)和積累(H)。相同顏色條形上的不同字母表示處理間存在顯著差異（p<0.05；Duncan）。CK：未接種處理；TR16：接種菌株TR16；TR18：接種菌株TR18；TR21：接種菌株TR21；YS3：接種菌株YS3；H1：混合接種菌株TR16、TR18、TR21和YS3；H2：混合接種菌株TR16、TR18和TR21。

（3）兩種污染土壤中土壤酶活性、有機酸和DOC含量

如表1所示，內生菌的接種對土壤脲酶活性（Ure）影響較小，但顯著影響了兩種土壤中蔗糖酶（Suc）、酸性磷酸酶（ACP）和堿性磷酸酶（ALP）的活性。與CK相比，S1土壤中Suc、ACP和ALP的活性分別顯著提高了33.7%-51.6%、37.4%-54.1%和15.1%-24.7%。S2土壤中這些酶的活性分別提高了45.9%-77.3%、11.2%-33.3%和33.9%-56.5%。此外，與四種單獨接種處理相比，兩種混合接種處理（H1和H2）在S1土壤中ALP活性更高，在S2土壤中ACP活性更高。

草酸存在于兩種土壤中，與其他有機酸相比含量最高，且其在S1中的含量顯著高于S2。在接種處理下，根際土壤中的草酸和醋酸含量基本保持不變。在S1中，除YS3接種外，其他五種處理下的草酸含量比CK處理顯著增加了32.2%-79.7%。在S2中，除H1處理外，其他處理下的草酸含量增加了14.9%-58.5%。菌株TR21接種得到了最大的含量，分別為596mg/kg（S1）和233mg/kg（S2）。此外，與未接種處理相比，S1中接種處理下的乳酸含量增加了11.4%-27.8%。與未種植土壤（S1：42.3mg/kg；S2：42.9mg/kg）相比，種植蓖麻顯著增加了土壤DOC含量，內生菌的接種進一步增加了土壤DOC含量。然而，單獨接種和混合接種處理之間的土壤DOC含量沒有顯著差異。與未接種土壤相比，接種處理在S1土壤中增加了17.0%-23.6%的土壤DOC含量，在S2土壤中增加了11.1%-30.3%。

表1. 內生菌接種對蓖麻根際土壤中酶活性、有機酸和土壤DOC含量的影響。同一列中的不同字母表示處理間存在顯著差異（p<0.05；Duncan）。

CK：未接種處理；TR16：接種菌株TR16；TR18：接種菌株TR18；TR21：接種菌株TR21；YS3：接種菌株YS3；H1：混合接種菌株TR16、TR18、TR21和YS3；H2：混合接種菌株TR16、TR18和TR21。

（4）內生菌接種對根際土壤pH和Cu/Cd有效性的影響

如表2所示，內生菌的接種對土壤pH影響較小，但有效Cu和Cd含量發生了不同程度的變化。在S1中，與CK處理相比，不同接種處理下土壤DTPA（二乙烯三胺五乙酸）可提取Cu含量增加，而HOAc（乙酸）可提取Cu含量不同程度降低。土壤DTPA可提取Cd含量變化不大，但HOAc可提取Cd在接種處理下增加了4.1%-19.7%。在TR21、YS3、H1和H2處理下，HOAc可提取Cd顯著增加。與單獨接種處理相比，H1和H2處理對HOAc可提取Cd的增強作用更為顯著。在S2土壤中，與CK處理相比，六種接種處理降低了CaCl 2 可提取Cu含量，但HOAc可提取Cu增加了1.8%-3.3%。在H1和H2處理下，CaCl 2 可提取Cd含量分別降低了9.9%和10.2%，但在單獨接種處理下增加了5.0%-13.8%。HOAc可提取Cd含量顯著增加了12.2%-35.3%，其中H2處理的增加量最高。

表2. 內生菌接種對根際土壤pH和銅/鎘生物有效性的影響。同一列中的不同字母表示處理間存在顯著差異（p<0.05；Duncan）。

CK：未接種處理；TR16：接種菌株TR16；TR18：接種菌株TR18；TR21：接種菌株TR21；YS3：接種菌株YS3；H1：混合接種菌株TR16、TR18、TR21和YS3；H2：混合接種菌株TR16、TR18和TR21。

（5）根際微生物組的多樣性和組成

①根際微生物組的組成

六種接種處理對蓖麻根際細菌的多樣性和豐度沒有顯著影響，但誘導了細菌群落組成的差異。此外，兩種土壤中蓖麻的根際細菌群落組成存在差異。基于門水平（圖3A），發現變形菌門（Proteoba cteria ）、酸桿菌門（ Acidobacteriota ）、綠彎菌門（ Chloroflexi ）和放線菌門（ Actinobacteria ）是兩種土壤中蓖麻根際土壤中存在的優勢門。S2中酸桿菌門的相對豐度顯著高于S1。此外，芽單胞菌門（ Gemmatimonadota ）、疣微菌門（ Verrucomicrobiota ）、擬桿菌門（ Bacteroidota ）、硝螺旋菌門（ Nitrospirota ）和黏細菌門（ Myxococcota ）也是S1土壤中的優勢門。六種接種處理顯著增加了 Bdellovibrionota 的相對豐度，其在S1中從0.24%增加到0.29%-0.87%，在S2中從0.10%增加到0.11%-0.16%。此外，H1處理還顯著增加了兩種土壤中 Myxococcota 的相對豐度。在科水平（圖3B），黃單胞菌科（ Xanthomonadaceae ）、伯克霍爾德菌科（ Burkholderiaceae ）和鞘氨醇單胞菌科（ Sphingomonadaceae ）是兩種土壤中前三大優勢科，但它們的豐度差異顯著。六種接種處理增加了兩種土壤中鞘氨醇單胞菌科的相對豐度，從CK處理的17.4%增加到18.5%-22.9%（S2）和從6.9%增加到7.2%-8.3%（S1）。此外，S1中腸桿菌科（ E nterobacteriaceae ）的相對豐度在TR18、TR21、YS3、H1和H2接種下從0.076%（CK）增加到0.49%-2.5%，S2中從0.063%（CK）增加到0.12%-3.5%。

為了進一步分析內生菌接種的影響，使用熱圖顯示屬水平上細菌群落的分布（圖3C和D）。結果表明，六種接種處理改變了屬水平上細菌群落的分布。在S1土壤中， Bdellovibrio 、 P henylobacteria 、 Gaiella 和 Nordella 的相對豐度在六種接種處理下不同程度地提高。YS3接種增加了 Ralstonia 和 Herbaspirillum 的相對豐度。除了YS3處理外，其他五種接種處理下 Rhizophorhapis 、 Sphingomonas 、 Novosphingobium 和 IIumatobacter 的相對豐度也有所不同。此外，TR21處理下 steroidobacteria 的相對豐度增加，TR21和H2處理下 Cupriavidus 、 Bradyrhizobium 和 Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium 的相對豐度也比CK有所增加。TR18處理下 Candidatus_Solibacte r 的相對豐度增加。除了TR18外，其他接種處理下 Mesorhizobium 和 Micromonospora 的相對豐度也明顯增加。

在S2中，與CK處理相比，六種接種處理下 Sphingomonas 、 Occalataibacter 、 Candidatus_Koribacter 、 Phytohabitans 和 Amycolatopsis 的相對豐度有所不同。除了YS3處理外，其他處理下 Bradyrhizobium 、E daphobacter 和 Komagataeibacter 也有所增加。TR16處理顯著增加了 Bryobacte r 、 Candidatus_Solitobacter 、 Actinospica 、 Roseisolibacter 、 Devonia 、 Phyllobacterium 、 Tumebacillus 等的相對豐度。TR18處理下 B acillus 的相對豐度、TR21處理下 Phenylobacterium 的相對豐度以及H1處理下 Mesorhizobium 的相對豐度也顯著增加。

圖3. 內生菌接種對蓖麻根際土壤細菌群落結構的影響。(A)門水平的相對豐度；(B)科水平的相對豐度；(C)和(D)分別為S1和S2中屬水平的細菌群落組成。CK：未接種處理；TR16：接種菌株TR16；TR18：接種菌株TR18；TR21：接種菌株TR21；YS3：接種菌株YS3；H1：混合接種菌株TR16、TR18、TR21和YS3；H2：混合接種菌株TR16、TR18和TR21。

②根際微生物組的β多樣性及其與環境因子的相關性

與CK處理相比，TR16接種并未影響細菌群落組成。在S1土壤中，TR18、TR21、YS3和H2處理下的群落組成與CK相比顯示出差異，PCoA分析解釋了52.7%的差異（圖4A）。Adonis分析顯示TR21和CK處理之間存在顯著差異。兩種混合接種處理（H1和H2）的群落組成也與TR16、TR18、TR21和YS3的單獨接種處理存在不同程度的差異。在S2土壤中，其他五種接種處理的細菌群落組成明顯與CK處理分離，PCoA分析解釋了58.1%的變異（圖4B）。Adonis分析顯示TR18、TR21和H1處理下的細菌群落結構與CK處理存在顯著差異。Mantel檢驗分析（圖4C、E）顯示，草酸、蔗糖酶、堿性磷酸酶（ALP）、土壤DOC和HOAc-Cd對S1土壤中根際細菌群落組成有顯著影響，而HOAc-Cd、HOAc-Cu和ALP對S2土壤中細菌群落組成有顯著影響。

Spearman相關性分析（圖4D、F）顯示，腸桿菌科（Enterobacteriaceae）與兩種土壤中的草酸含量（p<0.01）、有效銅、HOAc-Cd、酸性磷酸酶（ACP）和ALP顯著正相關。此外，腸桿菌科與S1土壤DOC含量顯著正相關。鞘氨醇單胞菌科（Sphingomonadacea）的相對豐度與S2土壤中的ACP和DOC顯著正相關（p<0.05），與S1土壤中的草酸顯著正相關（p<0.05）。Koribacteraceae與S2土壤中的pH（p<0.05）、蔗糖酶（p<0.01）、ACP（p<0.01）和DOC（p<0.05）存在顯著或極顯著正相關。Bdellovibriaceae與S1土壤中的Avail-Cu（p<0.001）、草酸（p<0.001）、ACP（p<0.05）和ALP（p<0.05）呈顯著或極顯著正相關。因此，研究表明內生菌接種可以通過影響土壤pH、重金屬有效性、DOC、酶活性以及根際土壤中草酸等根系分泌物的分泌來調節細菌群落組成。

圖4. 環境因子與微生物群落組成的關聯性分析。(A)和(B)分別為S1和S2中微生物群落組成的PCoA分析；(C)和(E)分別為S1和S2中微生物群落與環境因子的Mantel檢驗；(D)和(F)分別為S1和S2中屬水平細菌相對豐度與環境因子的Spearman相關性分析。Avail-Cu/Cd表示S1中的DTPA可提取量和S2中的CaCl2可提取量。?、**和***分別表示p<0.05、p<0.01和p<0.001。CK：未接種處理；TR16：接種菌株TR16；TR18：接種菌株TR18；TR21：接種菌株TR21；YS3：接種菌株YS3；H1：混合接種菌株TR16、TR18、TR21和YS3；H2：混合接種菌株TR16、TR18和TR21。

（6）蓖麻根的轉錄組分析

在S1條件下，YXTR21-vs-YXCK比較中獲得了296個差異表達基因（DEGs），其中蓖麻根中有193個上調基因和103個下調基因。在S2條件下，DYTR21-vs-DYCK比較中獲得了671個DEGs，包括243個顯著上調基因和428個下調基因。在DYTR21-vs-YXTR21比較中發現了4671個DEGs（2085個上調基因和2586個下調基因），在DYCK-vs-YXCK比較中發現了3869個DEGs（1942個上調基因和1927個下調基因）。

①銅/鎘脅迫下與谷胱甘肽、半胱氨酸和蛋氨酸代謝相關的基因

比較了兩種土壤中蓖麻根中與抗氧化活性和谷胱甘肽代謝相關的DEGs的表達情況（圖5A）。結果表明，與S1土壤中的蓖麻根相比，S2土壤中蓖麻根中與谷胱甘肽代謝相關的谷胱甘肽S轉移酶（GST）編碼基因大多顯著上調。此外，與抗氧化酶活性相關的大多數基因表達也上調，包括過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）。鑒于半胱氨酸（Cys）不僅是谷胱甘肽和植物螯合素合成的主要前體，也是金屬硫蛋白（MT）的主要成分，因此分析了半胱氨酸和蛋氨酸代謝途徑。研究發現，在DYTR21-vs-YXTR21和DYCK-vs-YXCK比較組中，參與Cys生物合成的5個DEGs顯著上調，包括絲氨酸乙酰轉移酶（SAT2，EC 2.3.1.30）、ATP硫化酶（ATPS，EC 2.7.7.4）和半胱氨酸合成酶（CS，EC 2.5.1.47）。此外，在這兩個比較組中，編碼S-腺苷蛋氨酸合成酶（SAMS，EC 2.5.1.6）的三個基因上調。金屬硫蛋白富含半胱氨酸（Cys），其巰基與重金屬離子的結合是植物降低重金屬毒性的重要機制。在DYTR21-vs-YXTR21和DYCK-vs-YXCK比較組中，編碼金屬硫蛋白2型（MTL2）的基因顯著上調，表明兩種土壤中重金屬脅迫的程度顯著影響了MTL2的表達。

②銅/鎘脅迫下參與木質素生物合成的基因

苯丙烷生物合成途徑對于植物次生代謝物的合成至關重要，在調節植物對各種非生物脅迫的響應中發揮著關鍵作用。在DYTR21-vs-YXTR21和DYCK-vs-YXCK比較組中，分別有52個（45個上調）和58個（53個上調）DEGs富集在苯丙烷生物合成途徑中（圖5B）。這些上調的DEGs是生物合成途徑中的關鍵酶基因，包括肉桂酸4-羥化酶（C4H，EC 1.14.14.91）、4-香豆酸輔酶A連接酶（4CL，EC 6.2.1.12）、肉桂酰輔酶A還原酶（CCR，EC 1.2.1.44）、肉桂醇脫氫酶（CAD，EC 1.1.1.195）、羥基肉桂酰轉移酶（HCT，EC 2.3.1.133）、對香豆酰莽草酸3'-羥化酶（C3'H，EC 1.141496）、咖啡酸3-O-甲基轉移酶（COMT，EC 2.1.1.68）和過氧化物酶（POD，EC 1.11.1.7）。4CL還可以間接影響黃酮類生物合成途徑。漆酶（LAC，EC 1.10.3.2）是銅離子結合蛋白家族的成員，也可以催化木質素單體的聚合。在DYTR21-vs-YXTR21和DYCK-vs-YXCK中，分別有3個（2個上調）和8個（7個上調）與漆酶（LAC）相關的DEGs。

圖5. 銅/鎘脅迫下涉及氮、硫、谷胱甘肽、半胱氨酸和蛋氨酸代謝（A）以及苯丙烷代謝途徑（B）的基因。YXTR21：S1土壤中接種TR21菌株；DYTR21：S2土壤中接種TR21菌株；YXCK：S1土壤中未接種；DYCK：S2土壤中未接種。

③TR21接種后蓖麻根中相關基因的響應

結合KEGG和GO富集分析（圖6），發現苯丙烷生物合成途徑是YXTR21-vs-YXCK比較中顯著富集的途徑之一。該途徑包括14個DEGs，其中11個上調，3個下調，上調基因涉及CAD、4CL、CCoAOMT、HCT和POD等酶。此外，編碼漆酶（LAC）的七個基因顯著上調。在植物次生代謝產物生物合成途徑中，有六個顯著上調的基因，包括兩個編碼脫氫奎酸脫水酶/莽草酸脫氫酶（DHQ/SDH，EC 4.2.1.10和EC1.1.1.2）的基因，以及兩個編碼β-葡萄糖苷酶（BGLU，EC 3.2.1.21）的基因。對于脂肪酸生物合成，四個上調的DEGs有助于長鏈脂肪酰輔酶A的合成。隨后，長鏈脂肪酰輔酶A在β-酮酰輔酶A合成酶6（KCS6）的催化下轉化為超長鏈脂肪酸輔酶A（VLCFA-CoA）。

在S2土壤中，TR21接種后蓖麻根中與莽草酸途徑相關的基因DHQ/SDH和莽草酸激酶2（PISKL2）的表達量與未接種相比上調。參與木質素和軟木脂生物合成的幾個基因也上調，包括木質素合成中的CAD和POD5，以及軟木脂合成中的脂肪酰輔酶A還原酶3（FARL3）和細胞色素P450 94A2（CYP94A2）。此外，編碼生化功能酶黃酮醇合成酶/黃烷酮3-羥化酶（F3H/FLS）的基因上調，該酶在黃酮類生物合成中起關鍵作用。此外，TR21接種誘導了氮代謝中硝酸還原酶（NIR）和高親和力硝酸轉運蛋白2.5（NRT2.5）的上調。TR21接種增加了SAMS2和兩個GST基因的表達。

與未接種相比，TR21接種在一定程度上調節了蓖麻根中銅和鎘的螯合與運輸（圖6B）。在S1下，根中有五個與金屬螯合物運輸相關的基因上調，包括金屬耐受蛋白9（MTP9）、寡肽轉運蛋白4（OPT4）、可能的金屬-煙酰胺轉運蛋白YSL6、ABC轉運蛋白G家族成員1（ABCG1）和多藥耐藥蛋白1（PDRL1）。增強的基因是液泡陽離子/質子交換蛋白3（CAX3），其主要作用于Ca2+的運輸。在S2下，編碼ABCI6的基因上調。此外，鋅轉運蛋白5（ZIP5）在S1土壤中蓖麻根的表達上調，但在S2土壤中下調，該基因介導植物細胞中鋅和鎘的運輸。

圖6. TR21接種誘導的蓖麻根中的差異表達基因（DEGs）。(A)S1條件下苯丙烷生物合成和脂肪酸生物合成的相關基因；(B)S2條件下氮代謝、轉運蛋白和谷胱甘肽S轉移酶的相關基因。YXTR21：S1土壤中接種TR21菌株；DYTR21：S2土壤中接種TR21菌株；YXCK：S1土壤中未接種；DYCK：S2土壤中未接種。

3.研究小結

蓖麻（ Ricinus communis L.）具有生物量大和經濟價值高的特點，在修復重金屬污染農田土壤方面具有巨大潛力。內生菌的單獨和聯合接種可以有效改善兩種測試土壤中蓖麻的生長和銅/鎘積累。內生菌接種增加了酶活性、有機酸和土壤DOC含量，有利于根際土壤中植物和微生物的生長。此外，土壤pH、重金屬有效性、DOC、酶活性和草酸是影響蓖麻根際土壤細菌群落組成的主要因素。參與養分循環的細菌的相對豐度在不同程度上增加。金屬硫蛋白、苯丙烷生物合成、谷胱甘肽代謝、半胱氨酸和蛋氨酸代謝以及抗氧化酶活性相關基因上調，增強了蓖麻對銅/鎘的耐受性。TR21接種影響了根細胞壁的形成，與重金屬螯合物相關的幾個轉運蛋白基因的表達上調，從而提高了蓖麻對銅/鎘的耐受性。本研究表明了外源接種內生菌對蓖麻根際環境的影響，并揭示了內生菌增強蓖麻重金屬耐受性的可能分子機制，為更好地利用蓖麻修復重金屬污染土壤提供了新的見解。

圖7.外源接種內生菌對蓖麻根際環境影響和重金屬耐受性機制。

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圖片來源：知網

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