利用Pseudomonas putida NBRI-RC5.2菌株减轻菠菜中的砷污染：将功能性特征与基因组学见解相结合

《Bioresource Technology Reports》：Arsenic mitigation in spinach using Pseudomonas putida NBRI-RC5.2: Integrating functional traits with genomic insights

砷污染导致蔬菜积累严重，菠菜最高达12,043 μg kg?1。分离到含砷还原酶和PGPR的Pseudomonas putida NBRI-RC5.2，可降低菠菜砷含量88%。基因组分析揭示ars、aio、arsM等基因协同作用，其生物修复潜力为可持续治理提供新方案。

　　

作者列表： Varsha Dharmesh | Nikita Tiwari | Satyam Rastogi | Ruchi Agnihotri | Prasanna Dutta | Sanjay Dwivedi | Meher Hasan Asif | Debasis Chakrabarty | Suchi Srivastava

印度勒克瑙CSIR-国家植物研究所微生物技术部门，邮编226001

摘要

由于砷（As）带来的环境风险日益严重，其缓解措施最近受到了广泛关注。从受污染地区采集的蔬菜中检测到砷的积累量范围为644至12,043微克/千克。在所有测试的蔬菜作物中，菠菜的砷积累量最高（874–12,043微克/千克）。从这些蔬菜的根际和内生菌中分离出了多种耐砷细菌菌株（约763种），这些菌株同时具有促进植物生长的特性。具有砷还原酶和促进植物生长特性的Pseudomonas putida NBRI-RC5.2菌株能够将菠菜叶片中的总砷含量降低约88%。通过对RC5.2的全基因组分析，鉴定出了与砷抗性、植物生长促进和防御调节相关的基因。RC5.2中arsR、arsB、arsA、arsK、arsJ、aqp、arsH和arsC基因的表达上调，证实了其具有解毒砷的能力。本研究证实了RC5.2在减少菠菜叶片中砷吸收方面的有效性。基于RC5.2开发的生物肥料可能是实现可持续砷污染治理的有效途径。

引言

砷（As）是一种众所周知的有毒类金属，长期暴露会对环境和健康产生负面影响（Anand等人，2023年）。土壤和水是人们接触砷的主要途径。在pH值为5–8的好氧环境中，土壤中砷主要以砷酸盐[As(V)]的形式存在，并通过磷酸盐转运蛋白（pst/pit）被吸收；而在中性pH值的厌氧条件下，砷主要以亚砷酸盐[As(III)]的形式存在，并通过水甘油孔蛋白（g1pF）和甘油转运蛋白被吸收。作为主食的大米被认为是砷暴露的主要来源，但食用在受污染土壤中种植的蔬菜、水果和其他植物也会导致砷的摄入（Meharg和Hartley-Whitaker，2002年）。尽管已有大量关于大米中砷积累的研究，但蔬菜作物中砷的吸收机制却相对较少被研究。特别是叶类蔬菜，其重金属积累量通常高于茄科、十字花科、根茎类蔬菜和豆科作物（Meng等人，2024年）。菠菜富含矿物质和维生素，是人们饮食中的重要组成部分，然而在受污染的土壤中种植菠菜会带来较高的砷暴露风险（Clair-Caliot等人，2021年）。因此，迫切需要采取可持续的砷污染治理策略来保护人类健康。传统的修复方法效率低下且成本高昂，因此利用微生物进行砷污染治理已成为一种环保的选择（Khan等人，2024年；Kaur等人，2024年）。 有益微生物辅助的生物修复效果取决于它们自身的解毒系统，以便在砷污染环境中生存。砷的生物转化过程受微生物中不同基因的控制：例如，arsC基因促进砷(V)还原为砷(III)，随后通过外排系统ArsAB将其排出体外；此外，砷(III)还可以通过亚砷酸盐氧化酶（aioAB）重新转化为砷(V)。砷(III)甲基转移酶（arsM）的甲基化作用也能将其转化为毒性较低的甲基化形式。arsH编码的有机砷氧化酶可将三价有机砷转化为五价衍生物，从而扩大抗性范围。基于巯基的抗氧化化合物也是对抗砷胁迫的有效机制。谷胱甘肽（γ-谷氨酰-半胱氨酰-甘氨酸）是非蛋白质巯基化合物的重要来源，与其他巯基化合物（如半胱氨酸和同型半胱氨酸）相比，它能更有效地解毒砷。细菌产生的谷胱甘肽和半胱氨酸可通过配位[As (GSH-As)]作用清除砷并将其排出细胞外。半胱氨酸作为谷胱甘肽的前体，有助于缓解巯基的氧化损伤（Leichert等人，2008年）。 促进植物生长的微生物（PGP微生物）由于具有抗砷特性，非常适合用于生物修复。它们通过产生磷酸盐溶解剂、生长素、胞外多糖（EPS）和藻酸盐来帮助植物应对胁迫（Anand等人，2023年）。磷酸盐溶解菌（PSB）通过创造磷酸盐与砷酸盐之间的竞争关系，在砷生物修复中发挥重要作用（Anand等人，2023年）。微生物通过产生生长素来增强细胞防御能力，从而抵抗砷的毒性，生长素同时具有促进植物生长的作用。多项研究表明，在镉和砷胁迫条件下，Pseudomonas aeruginosa、Enterobacter ludwigii、Bacillus licheniformis、Bacillus simplex和Debaryomyces hansenii等微生物能增加生长素的产生（Kaur等人，2024年）。微生物分泌的胞外聚合物（EPS）能与重金属离子结合，有效降低其毒性（Mayer等人，2020年）。 在本研究中，我们旨在寻找最有效且特征明确的菌株来修复菠菜中的砷污染。我们调查、收集并量化了砷的含量，确定了受污染最严重的蔬菜——菠菜，并分离出耐砷菌株Pseudomonas putida NBRI-RC5.2，发现它是修复Spinacia oleracea中砷的最佳菌株。通过对RC5.2进行全基因组分析，研究了其抗砷机制、抗氧化机制及与促进植物生长相关的特性。此外，其解毒和生物修复潜力还与其基因组中相关通路的基因表达谱密切相关。

采样地点

印度十八个邦和三个联邦直辖区都记录到了砷污染现象，其中西孟加拉邦、比哈尔邦和北方邦的污染最为严重（Marghade等人，2023年）。本研究系统地从这些地区的受污染区域采集了蔬菜、灌溉水和土壤样本。各样本的采集地点和特征详见表S1。所有样本中的砷浓度均通过相应方法进行了测定。

蔬菜作物中的砷积累

鉴于地下水中、土壤中以及可食用作物中砷的存在量较高（Dwivedi等人，2023年），我们在印度-恒河平原地区（包括北方邦、比哈尔邦和西孟加拉邦）采集了相关样本（见图1(a)）。结果显示，在北方邦的Ballia（18–31毫克/千克）和Prayagraj（21–31毫克/千克）地区，地下水和土壤中的砷含量最高，而Lakhimpur地区的砷含量较低（20–27毫克/千克）（Srivastava和Sharma，2013年）。在比哈尔邦，Buxar地区的砷含量介于49–116微克/升之间。

结论

本研究表明，细菌在应对砷胁迫方面发挥着重要作用。微生物对砷污染环境的适应涉及遗传、生理和生化机制的复杂相互作用。Pseudomonas putida（NBRI-RC5.2）是已知最有效的砷修复菌株，这是首次在叶类蔬菜菠菜中观察到其抗砷效果。基因组分析揭示了RC5.2中多种抗砷基因、促进植物生长基因和抗氧化基因之间的密切关联。

CRediT作者贡献声明

Varsha Dharmesh：撰写初稿、数据可视化、验证、软件使用、方法设计、概念构建。 Nikita Tiwari：软件使用、方法设计、数据分析、数据管理。 Satyam Rastogi：数据可视化、软件使用、方法设计。 Ruchi Agnihotri：数据分析。 Prasanna Dutta：方法设计。 Sanjay Dwivedi：数据可视化、数据分析。 Meher Hasan Asif：数据可视化、项目监督、软件使用。 Debasis Chakrabarty：数据可视化、项目监督。

未引用参考文献

Kaur等人，2025年

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢勒克瑙CSIR-国家植物研究所提供的实验室设施。本研究由MLP0040项目资助。VD感谢CSIR-UGC授予的高级研究奖学金。同时，我们也感谢CSIR-NBRI伦理委员会批准并提供了研究许可（编号：CSIR-NBRI_MS/2025/04/05）。