《Advanced Science》：Metarhizium anisopliaeMitigates the Phytotoxicity of Lead and Nanoplastics on Rice by Modifying Physiological, Transcriptomic, Metabolomic Activities, and Soil Microbiome
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本文通过多组学（生理、转录组、代谢组、微生物组）整合分析，系统性揭示了绿僵菌（Metarhizium anisopliae）种子接种如何通过“拦截-防御”策略，有效缓解铅（Pb）与聚乙烯纳米塑料（NP）单一及联合胁迫对水稻生长造成的抑制。其核心机制在于：绿僵菌通过生物吸附在根-土界面“拦截”污染物，减少Pb（特别是经NP载运的“特洛伊木马”效应）的吸收与转运；同时，它通过重塑植物抗氧化防御、激素平衡，并上调类黄酮生物合成、ABC转运蛋白、激素信号传导等通路，系统性“增强”植物的内在防御能力；此外，绿僵菌还通过富集有益根际细菌（如Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia），调控土壤微生物群落，形成促进生长的微生态。该研究为利用内生真菌修复重金属与新型污染物复合污染农田、保障水稻安全生产提供了创新的生物策略与理论依据。
Metarhizium anisopliae（绿僵菌）缓解铅和纳米塑料对水稻毒性的系统性研究
1. 引言：复合污染挑战与真菌修复潜力
农业土壤中，重金属铅（Pb）与聚乙烯纳米塑料（NP）的复合污染日益严重，对作物生长和粮食安全构成严峻威胁。铅具有持久性与高毒性，可抑制光合作用、诱导活性氧（ROS）爆发并破坏细胞结构。纳米塑料不仅自身具有物理和化学毒性，其强疏水性和大比表面积还使其成为其他污染物（如铅）的理想载体，形成“特洛伊木马”效应，协同加剧植物毒性。内生昆虫病原真菌绿僵菌（Metarhizium anisopliae）在重金属解毒和促进植物生长方面已显示出潜力，但其在缓解铅与纳米塑料复合胁迫中的作用机制尚不明确。本研究提出假说：绿僵菌种子接种可通过“拦截-防御”综合策略缓解复合毒性，包括在根-土界面吸附污染物以减少其吸收、增强植物的系统防御能力，以及富集有益根际微生物。
2. 实验方法与处理设计
研究选用水稻品种“清香优19”，设置八种处理：对照（CK）、绿僵菌单独接种（SM）、铅胁迫（Pb）、铅胁迫+绿僵菌（PbSM）、纳米塑料胁迫（NP）、纳米塑料胁迫+绿僵菌（NPSM）、铅与纳米塑料复合胁迫（PbNP）、复合胁迫+绿僵菌（PbNPSM）。铅和纳米塑料的土壤浓度分别为100 mg/kg和2000 mg/kg。通过初步筛选，确定了促生效果最优的绿僵菌菌株SM021用于后续实验。水稻幼苗生长20天后，采集样品用于系统分析。
3. 结果：绿僵菌对污染物吸收、植物生长及生理的调控
3.1 降低铅的吸收与转运
绿僵菌接种显著降低了铅从土壤向根部的转移系数。在单一铅胁迫下，接种使土壤-根转移系数降低了35.7%；在复合胁迫下，该系数降低了34.4%。同时，根-叶转移系数也相应降低，表明绿僵菌有效限制了铅从根系向地上部的转运，这是其关键的物理保护机制。
3.2 缓解生长抑制与恢复叶绿素合成
铅、纳米塑料及其复合胁迫均显著抑制了水稻的株高、根长、鲜重和干重，其中复合胁迫的抑制作用最强，例如株高和根长分别比对照降低了17.58%和35.59%。复合胁迫也导致叶绿素a、b及总叶绿素含量大幅下降，降幅达55%-68%。
绿僵菌接种在所有胁迫条件下均显著逆转了生长抑制。在复合胁迫下，接种使株高、根长、根鲜重和根干重分别提升了22.67%、63.16%、203.01%和184.27%。同时，接种也大幅恢复了叶绿素合成，在复合胁迫下，叶绿素a、b和总叶绿素含量比未接种组提高了约106-108%。
3.3 重塑抗氧化系统与氧化还原平衡
胁迫处理扰乱了水稻的抗氧化系统。复合胁迫导致超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性变化，并显著增加了脂质过氧化产物丙二醛（MDA）的含量，表明发生了严重的氧化损伤。
2O2）和内源激素（GA、IAA、JA、SA）合成的影响。接种有效降低了氧化损伤并恢复了激素平衡。">
绿僵菌接种有效调控了抗氧化响应。在复合胁迫下，接种使MDA含量降低了38.49%，同时适度调节了SOD和POD的活性，帮助植物从过度的应激反应恢复到维持氧化还原稳态的平衡状态。
3.4 恢复内源激素平衡
铅、纳米塑料及其复合胁迫显著抑制了赤霉素（GA）、生长素（IAA）、茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）的合成。绿僵菌接种则显著提高了这些内源激素的水平，使其恢复至接近对照组的水平，从而重新激活了与生长发育和防御相关的信号通路，促进植物恢复生长。
3.5 重塑根际细菌群落结构
胁迫处理改变了根际土壤微生物的组成。铅胁迫降低了Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia、Mucilaginibacter等有益细菌的丰度。复合胁迫导致Sphingomonas等菌属异常富集，这可能是一种应激反应。
绿僵菌接种有效逆转了这些变化，富集了与植物促生和污染物耐受相关的关键有益细菌类群。例如，在铅胁迫下接种，使Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia的丰度从0.72%提升至7.07%。在复合胁迫下接种，也维持了较高的有益菌丰度。功能预测分析表明，接种后微生物在翻译、信号转导、能量产生、碳水化合物和氨基酸代谢等功能通路上得到富集。
3.6 调控转录组响应
转录组分析揭示了胁迫与接种对基因表达的深刻影响。与对照相比，复合胁迫（PbNP）处理组有大量基因差异表达。绿僵菌接种（如PbNPSM组）引发了更广泛的转录重编程，上调和下调的基因数量远多于未接种的胁迫组。
趋势分析发现，一些基因在胁迫下表达上调或下调，但在对应的真菌处理下呈现相反的调控趋势。KEGG富集分析表明，绿僵菌接种显著影响了与植物次生代谢物生物合成、ABC转运蛋白、类黄酮生物合成、激素信号转导和嘌呤代谢等相关的通路。
3.7 重编程代谢组谱
代谢组分析共鉴定出九类代谢物，其中核酸、肽类和脂质占主导。主成分分析显示不同处理组的代谢谱明显分离。
胁迫处理显著改变了差异积累代谢物（DAMs）的谱式。绿僵菌接种则上调和下调了不同的代谢物集合。差异代谢物主要富集在脂肪酸酰基、类黄酮、异黄酮、甘油磷脂等类别。KEGG通路分析显示，接种影响了类黄酮生物合成、嘌呤代谢、ABC转运蛋白等多个通路。
3.8 转录组与代谢组联合分析揭示核心通路
整合分析发现，差异表达基因（DEGs）与差异积累代谢物（DAMs）在多个关键通路上协同变化。这些通路主要包括：
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植物次生代谢物生物合成：绿僵菌接种上调了该通路相关基因和代谢物，增强植物的化学防御能力。
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嘌呤代谢：接种调控了嘌呤代谢，这可能与能量供应和信号分子（如ATP、cAMP）的调节有关。
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类黄酮生物合成：该通路在接种后被显著激活，类黄酮作为强效抗氧化剂，在清除ROS和抵御胁迫中起关键作用。
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ABC转运蛋白：该家族基因的上调可能与污染物外排、次级代谢物转运及激素稳态维持密切相关。
4. 讨论：绿僵菌的“拦截-防御”系统机制
本研究证实了铅与纳米塑料，特别是其复合胁迫，对水稻生长的协同毒性，并系统阐明了绿僵菌的缓解机制。复合胁迫的“特洛伊木马”效应，即纳米塑料作为载体促进铅的吸收，是毒性加剧的核心。绿僵菌通过其孢子或菌丝体表面丰富的负电性官能团（如羧基、磷酸基、氨基），通过离子交换和络合作用竞争性吸附游离的Pb2+，并通过静电排斥和菌丝网络缠结固定纳米塑料，从而在根际形成“拦截”屏障，物理性减少污染物与根的接触。
在“防御”层面，绿僵菌通过多层面重塑植物内在状态：1）生理层面：通过降低污染物吸收，减轻了其对叶绿素合成酶的抑制、对光合机构的破坏以及引发的氧化爆发，从而恢复光合作用和氧化还原平衡。2）激素层面：通过提高GA、IAA、JA、SA水平，将激素谱从应激状态调整回促生长与防御平衡的状态。3）分子层面：通过转录重编程和代谢重布线，系统上调抗氧化防御、类黄酮生物合成、ABC转运蛋白和激素信号通路，增强细胞的解毒和稳态维持能力。4）微生态层面：通过分泌物和营造的微环境，富集Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia等有益根际细菌，形成促进植物健康和养分循环的微生物群落。
5. 结论
综上所述，绿僵菌（Metarhizium anisopliae）种子接种通过整合“根际拦截-系统防御-微生物组重塑”的多层次机制，有效缓解了铅和纳米塑料单一及复合胁迫对水稻的毒性。其作用涵盖降低污染物吸收、恢复光合作用与氧化还原稳态、平衡内源激素、激活类黄酮生物合成与ABC转运蛋白等关键分子通路，并富集有益根际微生物。该研究不仅为理解真菌-植物-污染物-微生物的互作提供了系统视角，也为开发基于内生真菌的生物修复策略，以保障重金属与新兴污染物复合污染农田中的水稻安全生产，奠定了坚实的理论和实践基础。未来的研究可进一步聚焦于鉴定该过程中起核心作用的关键基因、代谢物或蛋白，以深化机制认识并拓展应用潜力。
