由纳米塑料重塑的根内生菌衍生的合成微生物群落能够减轻Populus × euramericana cv. ‘74/76’的植物毒性

《Journal of Hazardous Materials》：Synthetic microbial communities derived from nanoplastic-reshaped root endophytes alleviate phytotoxicity in Populus × euramericana cv. '74/76'

本研究通过合成微生物群落（SynComs）缓解聚苯乙烯纳米塑料（PS-NP）对杨树107的毒性，发现跨菌群的协同作用可提升植物生长、光合作用及PS-NP降解效率，为环保型植物修复提供新策略。

　　

Liren Xu|Chong Liu|Lingling Shi|Yachao Ren|Xinyu Zhong|Jinmao Wang|Minsheng Yang|Yujun Liu

河北农业大学，保定，河北，071000，中国

摘要

为了解决限制植物修复效率的纳米塑料植物毒性问题，我们从富含聚苯乙烯纳米塑料（PS-NP）的Populus × euramericana cv. '74/76'（Poplar 107）根内生菌中构建了合成微生物群落（SynComs），并通过多组学分析展示了它们的保护机制。PS-NP暴露显著改变了内生菌的多样性和组成，选择性地富集了具有耐逆性和潜在塑料降解能力的菌株。六个持续上调的物种（细菌：Chryseobacterium taeanense、Pseudomonas psychrotolerans和Rhizobium cellulosilyticum；真菌：Rhodotorula toruloides、Trichosporon asahii和Fusarium oxysporum）被组装成细菌群落（SynComB）、真菌群落（SynComF）和跨界群落（SynComBF）。在严重的PS-NP压力下（800 mg/L），与对照组相比，SynCom接种显著改善了植物生长和光合作用，减少了PS-NP积累，并减轻了氧化损伤。每个SynCom采用了不同但互补的策略：SynComB促进了解毒和有机酸的产生；SynComF增强了能量储存和多糖代谢；SynComBF协同这些机制提供了全面保护。整合的转录组学和代谢组学分析揭示了组织特异性的代谢重编程，包括在茎部增强黄酮类化合物的生物合成以进行抗氧化防御，在根部增强脂肪酸的生物合成以保护膜结构，以及在两种组织中增强TCA循环活性以补偿能量损失。我们的工作提供了对植物-微生物相互作用在PS-NP暴露下的机制理解，并提出了一个环保的框架，用于提高受塑料污染环境中的植物修复效率。

引言

塑料产品是现代社会不可或缺的一部分，全球年产量接近4亿吨，并预计到2040年将翻一番[1]，[2]。然而，它们有限的回收率（约9%）和环境持久性带来了重大的生态风险[3]，[4]。由于塑料的化学稳定性，它们降解缓慢，降解速率主要受外部条件如太阳辐射、温度和湿度的影响[5]，[6]，[7]。随着时间的推移，它们会分解成微塑料（< 5 mm）和纳米塑料（< 1 μm），这些塑料可能在生态系统中持续存在数百年[8]，[9]。

塑料碎片首次在海洋环境中被记录下来，引起了全球对其生态风险的关注[10]。此后，越来越多的证据表明，塑料颗粒普遍分布在陆地土壤[11]、淡水系统[12]和大气中[13]，其中聚苯乙烯是最常检测到的聚合物之一[13]，[14]。在各种塑料污染物中，纳米塑料尤其令人担忧，因为它们的纳米级尺寸和高环境流动性使其易于在各种生物系统中迁移和积累[15]。据报道，纳米塑料会在植物组织中积累，包括Triticum aestivum [16]、Lactuca sativa [17]和Allium cepa [18]，以及模型动物中，包括Mus musculus [15]、[19]和Danio rerio [21]、[22]、[23]。这些积累与正常生理过程的紊乱有关，并引发了关于营养传递和潜在人类暴露的担忧[24]，最终威胁到生态完整性和公共健康[25]，[26]，[27]，[28]，[29]。

近年来，植物修复作为一种有前景的方法出现，用于应对微塑料/纳米塑料污染，提供了一种低成本且环境可持续的替代传统方法（如膜过滤、合成吸附剂、混凝-絮凝-沉淀和电凝聚）[30]，[31]。例如，Yin等人[30]证明Eichhornia crassipes在48小时内去除了水中超过60%的纳米塑料，而没有表现出显著的生长抑制。像Populus这样的高大植物也被认为是修复受塑料污染土壤的候选者，因为它们生长迅速，生物量丰富，并且具有显著的纳米塑料积累能力[14]，[32]。然而，在高剂量纳米塑料暴露下，这些植物不仅会积累大量纳米塑料，还会遭受严重的氧化损伤，包括总叶绿素含量减少43.63%以及黄化和萎蔫等可见症状[14]。找到一种既能适度积累污染物又能减轻生长抑制的环保方法对于提高植物修复效率至关重要[14]，[32]。

与植物相关的微生物通常被视为植物的“第二基因组”，在塑造宿主生长和发育中起着重要作用[33]，[34]。通过接种有益的细菌和/或真菌微生物来提高植物的耐逆性已被认为是一种可持续的绿色技术[35]。例如，用Pseudomonas psychrotolerans细菌接种根系可以降解诱导衰老的乙烯前体，使植物在不利条件下茁壮成长[36]。同样，Chryseobacterium taeanense可以缓解Oryza sativa因盐胁迫引起的生长抑制，可能是通过分泌有益的代谢物（如有机酸和多糖）来维持细胞内渗透压平衡[37]。对于真菌，Trichosporon asahii定殖在Beta vulgaris的根系中，通过拮抗作用促进其生长并保护幼苗免受Rhizoctonia solani的感染[38]。此外，尽管Fusarium oxysporum具有致病性，但它也可以作为内生菌来增强耐逆性，可能是通过分泌酶或代谢物来强化细胞壁，从而稳定细胞结构并提高对环境压力的抵抗力[39]，[40]。

与单菌株接种剂相比，合成微生物群落（SynCom）方法涉及在受控条件下共培养多种具有互补和协同功能的细菌和/或真菌菌株，以模拟自然微生物组的组织和作用[41]。近年来，SynComs已被广泛用于阐明植物-微生物群相互作用，具有提高植物生产力和耐逆性的潜力[34]。例如，Lucas等人[42]构建了一个由四种菌株组成的细菌SynComs——Enterobacter sp. SA187、Pseudomonas argentinensis、Acinetobacter radioresistens和Ochrobactrum intermediumSolanum lycopersicum>耐旱性。一个包含六种菌株的真菌SynComs（即Aspergillus versicolor、Cladosporium pseudocladosporioides、Cryptococcus sp.、Penicillium sp.、Periconia homothallica和Talaromyces funiculosusGlycine max的铝毒性[34]。此外，一个由93种细菌和74种真菌组成的跨界SynComs通过多糖分泌直接抑制病原体和通过竞争营养和生态位间接抑制病原体，减轻了Solanum lycopersicum的萎蔫症状[43]。

在我们之前的工作中，我们证明了Populus × euramericana cv. '74/76'（Poplar 107）这种典型的木本植物属植物在整个植物中积累了大量的聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs），并在严重的PS-NP压力下表现出严重的表型、光合作用和生理损伤[14]。此外，同一工作的未发表数据表明，根内生菌群落的组成受到PS-NP暴露的显著影响。

在本研究中，我们进一步分析了PS-NP暴露如何重塑根内生菌群，并利用这些受压力富集的微生物构建了SynComs，然后将它们接种到植物中，以评估其在严重PS-NP压力下的保护效果。我们假设PS-NP暴露将重塑根内生菌的功能潜力，选择性地富集特定细菌和真菌物种，这些物种通过不同的机制帮助Poplar 107植物缓解PS-NP引起的氧化应激。为了验证这一假设，本研究旨在1）在温和和严重PS-NP压力下表征根内生菌群，识别在两种条件下共同富集的微生物物种以及每种组中独特富集的物种；2）研究用来自PS-NP富集物种的细菌、真菌和跨界SynComs接种根系对植物生理表现和转录组学及代谢组学景观的影响；3）通过整合多组学分析阐明Poplar 107在SynCom接种后维持生长和增强PS-NP压力抵抗力的防御机制。据我们所知，这是首次使用基于SynCom的环保方法全面研究提高高等木本植物对纳米塑料耐受性的研究。我们的发现还为通过减轻植物中的PS-NP诱导的氧化损伤来提高受纳米塑料污染土壤的植物修复效率提供了有希望的策略。

部分摘录

根内生菌的微生物组分析

根内生细菌的16S rRNA基因和真菌的ITS扩增子测序数据（未发表）来自我们之前工作[14]中描述的植物材料和处理方法，其中Poplar 107植物在控制条件下生长在营养液中，并在15天后受到轻度（400 mg/L；400 NP）和重度（800 mg/L；800 NP）PS-NP（直径约50 nm）的压力，每种条件有三个独立的生物学重复。选择这两个浓度是基于剂量-反应关系

PS-NPs彻底重塑了根内生菌群落

质量控制结果显示，细菌和真菌样本的平均标签效率分别为84.66%和91.30%。此外，所有稀释曲线都达到了平台期（图S4），表明下游分析具有足够的测序深度和覆盖度。因此，高质量且序列相似性强的标签被聚类为OTUs，细菌有1,331个，真菌有518个，用于微生物多样性评估、物种注释和功能预测。

Shannon

讨论

塑料废物的全球生产和环境持久性导致陆地和水生生态系统广泛受到微塑料和纳米塑料的污染，带来了重大的生态风险和公共健康问题[25]，[29]。虽然植物修复已成为解决塑料污染的有前景的方法，但高暴露浓度下纳米塑料的严重植物毒性仍然是其实际应用的主要限制[14]

结论

我们展示了一种通过工程化的植物-微生物伙伴关系来减轻纳米塑料植物毒性的新环保策略。通过利用富含纳米塑料的内生菌群，我们开发了SynComs，通过跨界的相互作用为Poplar 107提供了强大的抗逆保护。我们的综合多组学方法揭示了细菌和真菌群落采用了不同但互补的保护机制——解毒与能量补偿——

环境影响

(a) 纳米塑料已被证明对多种生物有毒，并在多个人体器官中被检测到，应被归类为危险物质。

(b) 本研究应用了合成微生物群落（SynCom）技术来减轻纳米塑料的植物毒性，实现了受污染土壤的可持续植物修复。通过利用减少纳米塑料积累同时保持植物健康的富含塑料的内生菌，我们的方法将植物修复从

CRediT作者贡献声明

Yachao Ren：研究。Xinyu Zhong：研究。Chong Liu：写作——原始草稿，研究。Lingling Shi：软件，研究。Liren Xu：写作——原始草稿，方法学，研究，概念化。Minsheng Yang：写作——审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。Yujun Liu：写作——审稿与编辑，监督。Jinmao Wang：研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国河北省重点研发计划（21326301D）的资助。