外源一氧化氮通过调控土壤微生态提升龙葵镉污染修复效率的机理研究

《Plant Stress》：Exogenous application of nitric oxide promotes hyperaccumulator Solanum nigrum L. performances, soil properties, and microbial community in cadmium contaminated soil

本研究针对镉(Cd)污染土壤对粮食安全和人体健康的严重威胁，创新性地探讨了外源一氧化氮(NO)对超富集植物龙葵(Solanum nigrum L.)修复效果的调控机制。研究人员通过盆栽实验发现，100-200 μmol·L?1NO处理可显著提升龙葵生物量16.22%-14.85%，促进Cd积累22.08%-46.91%，并通过增强抗氧化酶活性(SOD/POD/CAT)缓解氧化损伤。同时，NO改善了土壤理化性质(SOC/CEC/NO3?-N等)，提高了微生物生物量碳氮(MBC/MBN)和酶活性，优化了微生物群落结构。该研究为重金属污染土壤的生物修复提供了新的理论依据和技术途径。

　　

随着工业化进程加快，土壤重金属污染已成为全球性环境问题。其中镉(Cd)因其高迁移性和生物毒性，对农作物生产和人体健康构成严重威胁。在众多治理技术中，植物修复技术因成本低、环境友好等优势备受关注，而超富集植物龙葵(Solanum nigrum L.)因其对镉的强大富集能力成为研究热点。然而，重金属胁迫会引发植物氧化损伤，抑制生长，如何提高植物耐受性和修复效率成为关键科学问题。

近期研究表明，一氧化氮(NO)作为信号分子在植物抗逆中发挥重要作用，但其对植物-土壤系统的综合调控机制尚不明确。为此，研究人员在《Plant Stress》发表论文，系统探讨了外源NO对镉污染土壤中龙葵修复性能的提升机制。

本研究采用盆栽实验设计，设置3个NO浓度(0/100/200 μmol·L^?1)和4个Cd梯度(3.3/25/50/100 mg·kg^?1)的交互处理。通过测定植物生理指标(生物量、Cd积累、抗氧化酶等)、土壤理化性质(pH、EC、养分含量等)和微生物群落(16S/ITS测序)等参数，结合统计学分析(ANOVA、PCoA、LEfSe等)揭示其内在机理。

3.1. NO添加对龙葵生长及镉积累的影响

研究发现，100 μmol·L^?1NO处理使龙葵根、茎、叶生物量分别提升12.80%、10.81%和30.61%，Cd积累量增加46.91%。 translocation factor (TF)和bioconcentration factor (BCF)分析表明，NO通过促进Cd从根向地上部转运，显著增强植物修复效率。

3.2. NO对植物生理生化特性的调节

Cd胁迫导致活性氧(ROS)积累和膜脂过氧化(MDA含量上升22.58%)。外源NO处理后，过氧化氢(H₂O₂)和超氧阴离子(O₂·^?)含量显著降低，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性分别提高53.49%、70.51%和25.6%，有效缓解了氧化损伤。

3.3. NO对土壤性质的影响

NO添加使土壤pH值提升4.71%，电导率(EC)增加7.45%，硝酸盐(NO₃^?-N)和铵态氮(NH₄⁺-N)含量分别提高18.44%和29.46%。土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)也显著增加，表明NO改善了土壤养分循环。

3.4. NO对土壤微生物的调控

Alpha多样性分析显示，NO处理提高了细菌和真菌的Chao1和Shannon指数。PCoA分析表明NO显著改变微生物群落结构，Gemmatimonas、Talaromyces等有益菌群相对丰度增加。RDA分析进一步证实土壤有机碳(SOC)、速效磷(AP)等是驱动微生物变化的关键因子。

本研究阐明了外源NO通过"植物-土壤-微生物"多维调控增强龙葵镉修复效率的机制。NO不仅直接激活植物抗氧化系统，还通过改善根际微环境，促进养分循环和有益微生物增殖，形成协同修复效应。该研究为重金属污染土壤的绿色修复提供了新策略，对保障农产品安全和生态安全具有重要实践意义。