《Plant Stress》：Bacillus velezensis ZM202201 enhances cadmium tolerance in wheat by reinforcing antioxidant defense and modulating metal detoxification pathways
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本研究聚焦农田镉污染对小麦安全生产的威胁，引入植物根际促生菌贝莱斯芽孢杆菌ZM202201作为生物修复策略。研究人员通过生理生化与转录组学分析，发现该菌株能显著缓解镉胁迫导致的小麦生长抑制，其作用机制涉及激活SOD/POD/CAT抗氧化酶系统、上调ABCC型转运蛋白促进液泡镉隔离，同时下调HIPP金属分子伴侣表达。该研究为微生物菌剂在重金属污染农田的安全应用提供了理论支撑。
随着工业发展和农业集约化生产，农田土壤镉污染已成为威胁全球粮食安全的隐形杀手。作为60%人口的主粮作物，小麦对镉具有超强富集能力，通过食物链传递对人体健康构成严重风险。镉毒害会导致小麦光合系统紊乱、养分吸收受阻，并诱发氧化应激反应，最终造成植株矮化、生物量锐减。传统土壤修复技术成本高昂且难以大规模应用，而植物根际促生菌为代表的微生物修复技术，因其环境友好特性展现出广阔前景。
在众多益生菌中，贝莱斯芽孢杆菌以其出色的抗逆性和根际定殖能力备受关注。然而，这类以生防功能著称的菌株能否跨界缓解重金属胁迫，其深层机制仍有待揭示。发表于《Plant Stress》的最新研究，首次系统阐释了贝莱斯芽孢杆菌ZM202201如何通过多层级调控网络增强小麦镉耐受性，为微生物菌剂设计提供了新思路。
研究团队首先评估了ZM202201的促生特性与镉抗性，发现该菌株具备产吲哚-3-乙酸、铁载体分泌和固氮能力，对镉的最小抑制浓度达300 mg L-1。水培实验表明，在150 μM镉胁迫下，接菌使小麦株高、根长和生物量显著提升，同时丙二醛和过氧化氢含量分别降低29.8%和19.7%。这种保护效应与超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性的协同增强密切相关。
转录组分析揭示了更深入的分子机制。ZM202201接种引发全局性转录重编程，差异表达基因分析显示接菌组通过特异性调控解毒通路而非全面逆转应激反应来发挥作用。值得注意的是，菌株诱导ABCC型转运蛋白（如Ta3A01G134400和Ta3B01G155500）显著上调，这些蛋白已知参与镉-植物螯合物的液泡隔离；而重金属相关异戊烯化植物蛋白家族成员（如HIPP28、HIPP39）表达则被抑制，表明细胞从胞质螯合向液泡隔离的解毒策略转变。
加权基因共表达网络分析进一步锁定两个关键模块：与株高正相关的浅黄色模块富集于金属离子转运和谷胱甘肽代谢通路，而与过氧化物酶活性负相关的亮橙色模块则关联次级代谢合成。枢纽基因分析确认ABCC转运蛋白、谷胱甘肽合成酶等在调控网络中处于核心地位。实时定量PCR对转录因子家族的验证发现，bHLH、ERF和NAC家族成员在接菌后显著激活，而Myb家族响应被抑制，这可能是菌株重编程防御信号网络的关键环节。
在讨论部分，研究者提出ZM202201的保护作用呈现“胁迫依赖性启动”特征——在无镉环境下不显著促进生长，但能预激活植物的防御系统。这种启动效应体现为抗氧化防御的层级强化：超氧化物歧化酶将超氧阴离子转化为过氧化氢后，过氧化物酶和过氧化氢酶形成协同清除链，避免过氧化氢累积引发膜脂过氧化。与此同时，菌株通过上调ABCC转运蛋白促进镉的液泡区隔化，减少胞质毒性；而HIPP金属分子伴侣的下调，可能意味着细胞降低了对胞质镉缓冲的依赖，转向更高效的区隔化解毒策略。
该研究整合生理生化与多组学技术，主要包括：16S rRNA系统发育分析用于菌株鉴定，铬天青S平板法检测铁载体，实时荧光定量PCR验证基因表达，Illumina NovaSeq6000平台进行转录组测序，以及加权基因共表达网络分析构建基因调控模块。实验采用水培体系，以豫麦58为材料，设不同镉浓度梯度（0-150 μM）与接菌处理组合。
研究结论表明，贝莱斯芽孢杆菌ZM202201通过双重机制增强小麦镉耐受性：在生理层面协调抗氧化酶系统维持氧化稳态，在分子层面重编程金属处理通路导向液泡隔离。这种源自生防菌的跨界保护效应，为开发兼具生物防治与重金属修复功能的微生物菌剂提供了新途径，对保障镉污染农田的安全生产具有重要实践价值。
