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）上發表了題為：Nitrogen cycle induced by plant growth-promoting rhizobacteria drives “microbial partners” to enhance cadmium phytoremediation的研究成果，首次系統揭示了促進植物生長的根瘤菌（PGPR）誘導的氮循環驅動“微生物伙伴”增強鎘的植物修復能力，為基于微生物組調控的重金屬污染土壤修復技術開發及植物健康可持續生產提供了理論依據。
本研究中微生物擴增子測序以及部分分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
一、研究方法
1、實驗設計和樣本采集
選取生長均勻、具 5-7 片真葉的龍葵幼苗，隨后移植到含 1.5 kg Cd 污染土壤的盆中，每處理組 10 盆，每 2 周向土壤噴施 150 mL 菌懸液或無菌水，持續兩個月。實驗結束后采集土壤樣本、根際土壤樣本、植物根樣本和植物葉片樣本。
2、微生物組測序
對樣本進行16S rRNA基因測序，確定微生物菌群群落組成。
3、其他分析
非靶代謝組學測序、轉錄組測序和qPCR熒光定量檢測等。
圖1 整體實驗流程
二、研究結果
1.PGPR介導的根際土壤理化性質變化誘導植物修復效果增強
接種PGPR菌株NCT-2能夠有效提高植物S. nigrum對鎘的修復效率（圖 2a），而這種增強作用可能主要通過改善根際土壤S-NR活性來實現。
圖2 菌株NCT- 2對Cd植物修復影響以及接種菌株NCT- 2后土壤理化指標與植物修復指標之間的關系
2.PGPR改變了超富集植物-土壤互作系統中的微生物群落組成
接種NCT-2菌株后，對照組和接種NCT-2菌株組的土壤細菌群落組成在非根際、根際和葉際均存在顯著差異，而葉際差異不顯著。結合PCoA和群落組成分析，在優勢門和屬水平上，菌株NCT- 2接種使S. nigrum根際土壤和根內富集Bacillus，并將一些類群的細菌驅向非根際土壤中。
圖3 菌株NCT- 2接種后細菌群落的變化
3.根際土壤微生物和S-NR的動態變化與PGPR定殖有關，PGPR定殖富集了低豐度的生物標志物
ASV_20544的序列與菌株NCT-2的序列完全一致，并主要定殖在接種菌株NCT-2的S. nigrum根際土壤和根內生境中。回歸分析結果表明，根際土壤和根內生境中芽孢桿菌和ASV_20544之間存在高度顯著的相關性。Mantel檢驗顯示，根際土壤中細菌群落的變化與ASV_20544豐度的變化顯著相關，而菌株NCT-2的定殖并未顯著影響根內生境中細菌群落的變化（圖4a）。此外，還觀察到根際土壤中ASV_20544的豐度與S-NR活性顯著正相關（圖4b）
使用LEfSe和隨機森林預測識別關鍵屬。分析表明，除了Bacillus屬外，菌株NCT-2接種后富集的其他屬在對照組根際土均為低豐度細菌（相對豐度低于0.1%），而在菌株NCT-2接種后，其中一半的相對豐度超過了0.1%。此外，還發現大多數富集的生物標志物的豐度與菌株NCT-2的定殖豐度顯著正相關（圖4c-d）。
圖4 菌株NCT- 2定植與土壤細菌群落和硝酸鹽還原酶的關系及其對根際土壤富集生物標志物和代謝譜的影響
4.與關鍵微生物類群相關的潛在代謝物
菌株NCT-2接種后，153種代謝物發生了顯著變化，其中114種代謝物顯著上調。差異表達代謝物（DEMs）KEGG通路富集分析發現，五條通路在菌株NCT-2接種下顯著上調，包括色氨酸代謝、花生四烯酸代謝、苯丙素生物合成等（圖4e）。
DEMs與關鍵細菌屬、ASV_20544豐度以及S-NR之間相關性分析發現關鍵屬中的Lysobacter顯示出最大的連接度，并與大多數DEMs顯著相關（圖5）。結構方程模型（SEM）進一步解釋了這四個因素之間的關系（圖6）：菌株在根際的定殖刺激了S-NR活性的增加，進而改變了根際的代謝特征，推動了關鍵類群的富集。
圖5 DEMs、關鍵細菌屬、ASV_20544豐度以及S-NR的相關性網絡圖
圖6 結構方程模型（SEM）描述了菌株NCT-2接種影響根際土壤中差異表達代謝物和關鍵稀有類群的主要途徑
5.合成菌群的構建及簡化
由 8 個分離獲得的關鍵菌株和NCT-2 組成一個合成菌群SynCom，然后進行單株菌敲除實驗，結果表明當分別敲除Lysobacter、Microbacterium或菌株NCT-2時，合成群落無法有效提高S-NR活性及S. nigrum中的鎘積累（圖7a-b）。因此構建了一個由Lysobacter（Sn319）、Microbacterium（Sn486）和菌株NCT-2組成的簡化合成菌群SynCom3，并驗證了與單獨接種菌株NCT-2相比，SynCom3接種顯著提高了植株生物量、鎘濃度、鎘積累和根際S-NR（圖7c–f）。
當單獨接種時，菌株NCT-2在根際土壤中的豐度相對較低，而在SynCom3接種下，其定殖豐度顯著增加了335.70%（圖7g）。在單獨接種NCT-2的組中未檢測到Lysobacter（Sn319）和Microbacterium（Sn486）的定殖，但在SynCom3接種組中成功檢測到它們的定殖（圖7g），并且它們的定殖豐度與NCT-2菌株的定殖豐度顯著正相關（圖7i）。此外，qPCR結果還表明，S-NR的關鍵編碼基因nasC在SynCom3接種下表達水平更高（圖7h）。
圖7 不同合成群落對黑曲霉修復Cd的影響
6.SynCom3誘導苯丙烷生物合成和色氨酸代謝途徑的富集
利用轉錄組測序技術研究了接種SynCom3的S. nigrum根部差異表達基因（DEGs）的轉錄譜。功能注釋分析顯示，這些DEGs主要集中在碳水化合物代謝和氨基酸代謝等代謝類別中（圖8a）。KEGG富集分析進一步表明，在SynCom3接種下，苯丙素生物合成、泛醌和其他萜類-醌類生物合成、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成等途徑顯著富集（圖8b）。
對S. nigrum根部進行非靶向代謝組學分析結果表明，與單獨接種菌株NCT-2相比，SynCom3接種下根部有118種代謝物表現出顯著差異。對DEMs進行KEGG通路富集分析發現苯丙素生物合成和色氨酸代謝途徑在SynCom3接種下再次顯著富集（圖8c），且這些途徑中的相關代謝物與單獨接種菌株NCT-2相比均顯著上調，進一步表明SynCom3接種在增強鎘修復過程中刺激了S. nigrum根部的這兩個途徑。對這兩個途徑中的DEMs與SynCom3各成員的定殖豐度之間的相關性分析表明，Lysobacter和Microbacterium的豐度與DEMs顯著正相關，而菌株NCT-2與DEMs的直接關系相對較弱（圖8d–f）。再次證明在菌株NCT-2 接種下，這兩種合作伙伴的富集可能由 DEMs 直接驅動。
圖8 接種SynCom3或單一NCT-2菌株的S. nigrum根部的轉錄和代謝特征
三、研究結論
本研究系統闡明了外源植物根際促生菌（PGPR）菌株 NCT-2 增強S. nigrum鎘污染土壤修復能力的作用機制。研究發現，菌株 NCT-2 主要通過提升根際土壤硝酸鹽還原酶（S-NR）活性，優化氮素循環效率，進而促進植物對養分的吸收與鎘修復能力。進一步研究表明，S-NR 活性與菌株 NCT-2 的根際定植豐度呈顯著正相關，其定植過程可通過重塑根際細菌群落結構，富集低豐度有益菌屬，同步改變土壤代謝譜。此外，研究以 NCT-2 為核心，聯合兩個低豐度菌屬構建了簡化合成菌群，并驗證了其修復有效性。通過轉錄組學與非靶向代謝組學分析證實，苯丙類生物合成途徑與色氨酸代謝通路在菌株增強植物修復過程中發揮關鍵調控作用。
圖9 PGPR通過改變根際微環境增強其對Cd植物修復作用的假設機制示意圖
原文引用：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：//microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-025-02113-x
