Deinococcus sp. NH1 通过调节根际微生物群和植物代谢来增强水稻对镉的耐受性

水稻镉胁迫缓解机制：内生菌Deinococcus sp. NH1通过调控宿主基因表达、重塑根际微生物群落及代谢重编程实现多重协同作用，显著提高水稻抗镉能力及产量，为重金属污染土壤生物修复提供新策略。

　　

李丹丹|刁志凯|舒爱萍|甘淑荣|张文雪|张一奇|熊丽|魏大敏|何龙鑫|史文忠|孙刚|袁福生|刘增兵|高正

中国山东省农业大学生命科学学院小麦改良国家重点实验室，泰安，271018

摘要

镉胁迫威胁着水稻的安全和农田管理。为了研究高镉耐受性Deinococcus在缓解植物镉胁迫中的作用，本研究通过16S rRNA基因测序和全基因组平均核苷酸同源性分析，鉴定出一种具有高镉耐受性和促进生长潜力的Deinococcus菌株NH1。在镉胁迫条件下，接种NH1显著缓解了水稻的生长抑制，使植株高度、鲜重和根系密度显著增加。在含有10 mg/kg镉的土壤中，NH1接种下调了原本上调的与镉解毒和胁迫响应相关的基因，同时上调了生物合成和能量代谢基因。镉减少了根际细菌的多样性，但NH1恢复了多样性并诱导了群落重组，显著丰富了有益微生物，如Massilia和Haliangium。在代谢水平上，NH1处理改变了根际代谢组，其中萜类化合物以及与这些有益微生物显著正相关的类黄酮和苯丙素（如5-O-甲基embelin和亚油酸）可能起着关键作用。总之，NH1通过调节宿主基因表达、恢复和重塑根际微生物群落结构以及促进有益微生物-代谢产物的相互作用，增强了水稻对镉胁迫的耐受性。本研究为植物-微生物在减轻重金属胁迫中的相互作用提供了新的见解。

引言

土壤重金属污染，特别是镉（Cd）污染，已成为全球农业生产和食品安全面临的严重挑战[1]。镉具有高化学反应性、强溶解性和移动性以及持久的毒性，容易被植物吸收、运输和积累，造成严重损害[2]、[3]。镉以二价离子的形式进入植物根系后，主要在根细胞壁或液泡中被螯合[4]。未螯合的镉通过运输蛋白进入木质部，主要通过蒸腾作用从根部转移到茎部[5]。从茎木质部释放后，镉通过维管系统进入韧皮部，最终在叶片和籽粒等组织中积累[6]。镉的积累会引发一系列毒性效应，包括抑制种子萌发和生长、破坏光合作用系统、干扰必需矿物质的吸收和运输，以及诱导氧化应激和细胞损伤[7]、[8]。农作物中的镉容易通过食物链进入人体，影响多个器官，导致骨质流失和冠心病等疾病，对人类健康构成威胁[9]、[10]。因此，开发高效、环保的镉污染预防和控制策略对于应对镉污染和保护人类健康具有重要意义。

镉胁迫可以诱导水稻产生一系列生理防御和解毒反应[11]，主要包括根部分泌特定物质与镉结合，降低其生物可利用性[12]；通过物理吸附和化学固定将镉离子保留在根表面[13]；以及将镉固定在细胞壁内形成不溶性复合物，从而减少其向地上部分的转移[14]。作为土壤生态系统中的关键组成部分，微生物在重金属的转化、迁移和解毒中发挥着重要作用[15]、[16]、[18]。应用具有特定代谢能力或调节植物生理反应特性的微生物菌株来减轻植物中的重金属胁迫，已成为植物胁迫生物学和农业微生物学领域的研究重点[19]、[20]。研究表明，特定的促生长根际细菌（PGPR）通过基因组适应进化出镉（Cd）解毒机制。例如，Pseudomonas fluorescens通过介导AtPCR2的表达来增强Arabidopsis thaliana的镉抗性[21]。硫酸盐还原菌通过硫同化途径提高植物对重金属的耐受性，同时上调苯丙素生物合成相关基因（OsCAD、Os4CL、OsCOMT、OsPOD、OsC3H和OsPAL），并下调重金属转运基因（OsHMA2和OsIRT1[22]。值得注意的是，对微生物群落结构的靶向调控可能直接影响根际微环境——微生物代谢产生的有机酸（如草酸和柠檬酸）会改变土壤pH值和氧化还原电位，促进镉从可交换态向残余态的转化[23]。在植物响应层面，根细胞通过动态表达重金属转运基因（如HMA3和NRAMP1）实现镉的区室化[24]，而苯丙素代谢途径的激活则通过木质素沉积建立物理屏障[25]。然而，目前的研究主要集中在单一菌株或单一相互作用的角度上，对功能性微生物如何通过整合微生物组重塑、基因调控和代谢重编程的三方网络协同增强植物镉耐受性的系统理解仍然有限。因此，阐明这些机制对于优化生物修复策略和提高植物胁迫抵抗力具有重要的理论和实践意义。

Deinococcus radiodurans是一类革兰氏阳性细菌，以其对极端环境的非凡适应性而闻名，尤其是其卓越的辐射耐受性、抗氧化能力和重金属耐受性[26]、[27]。这种细菌的独特生理特性包括高效的DNA损伤修复系统（如RecA介导的同源重组）、丰富的抗氧化酶（如超氧化物歧化酶和过氧化氢酶）以及多样的重金属解毒机制（如外排泵和金属螯合蛋白），使其能够在高辐射暴露、氧化应激和重金属污染等恶劣条件下生存[17]、[28]、[29]、[30]。研究表明，Deinococcus菌株不仅具有内在的重金属耐受性，还携带能够缓解水稻中镉（Cd）和铅（Pb）毒性的特定突变菌株[27]。这些特性凸显了其在重金属污染土壤生物修复和安全作物生产中的重要应用潜力。

本研究重点探讨了Deinococcus菌株NH1在缓解水稻镉胁迫方面的潜力。先前的研究表明，Deinococcus细菌通常表现出对环境胁迫的卓越耐受性，包括对重金属的耐受性[26]、[27]。然而，NH1菌株通过其固有特性缓解镉胁迫的机制，以及其对根际微环境、宿主植物生理反应和根际代谢物谱的调控作用仍不清楚。因此，本研究旨在系统探讨NH1菌株缓解水稻镉胁迫的机制。基于这些前提，我们假设NH1菌株通过多维机制缓解水稻中的镉毒性，包括调节根部的胁迫响应基因、重塑根际代谢物谱以及丰富有益微生物。

实验部分

NH1菌株的镉耐受性检测

我们实验室先前从土壤样本中分离并保存的NH1菌株，以2%（v/v）的接种量接种到LB液体培养基中。在28°C下以180 rpm的速度孵育24小时后，测量了细菌悬浮液的光密度（OD₆₀₀），并通过稀释将其调整至0.5。将这种悬浮液（2% v/v接种量）转移到添加了不同浓度CdCl₂（0、5、10、15、20、40、60、100、150、200和250 mg/L）的新鲜LB液体培养基中。

Deinococcus sp. NH1有效减轻了水稻在镉胁迫下的生长抑制

在LB固体培养基上培养3天后，NH1菌株的菌落呈现橙红色，表面光滑，边缘规则且清晰，直径在2至3 mm之间（图1a）。NH1菌株能够在含有5 mg/L Cd²⁺（以CdCl₂形式提供）的LB培养基中正常生长。当培养基中的Cd²⁺浓度达到10 mg/L时，NH1菌株的生长受到显著抑制，48小时后的OD值仅与对照组（不含Cd的LB培养基）相当。

讨论

本研究从多个维度系统探讨了Deinococcus sp. NH1缓解水稻镉（Cd）胁迫的机制，包括菌株特性、根际微生物群落调控、宿主生理反应和代谢变化。结果表明，NH1菌株本身具有很强的镉耐受性，同时通过调节根际细菌群落结构来增强水稻对镉胁迫的抵抗力

结论与展望

本研究阐明了Deinococcus sp. NH1通过多种机制缓解水稻镉胁迫的作用，包括微生物群落调节以及植物基因和代谢的重新编程。具体而言，NH1菌株表现出高达150 mg/L的镉耐受性。它可以调节根际细菌群落，恢复镉胁迫下受损的微生物多样性，并特别丰富潜在有益的属，如Massilia和Haliangium，从而增强水稻的抗性

环境影响

农业土壤中的镉污染危及作物安全和生态系统健康。本研究揭示了Deinococcus sp. NH1通过调节基因表达、重塑根际微生物组以及促进有益细菌和代谢途径来增强水稻对镉的耐受性。这些发现为减轻作物中的重金属毒性、减少镉进入食物链以及提高受污染地区的农业安全提供了可持续的微生物策略

CRediT作者贡献声明

张一奇：数据验证、软件处理。张文雪：写作-审稿与编辑、实验研究。魏大敏：软件处理、数据管理。熊丽：数据可视化、实验研究。高正：写作-审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、方法学研究、实验研究、资金获取。舒爱萍：写作-审稿与编辑、方法学研究、实验研究、数据管理。刘增兵：写作-审稿与编辑、监督、项目管理、实验研究

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系。刘增兵报告获得了中国国家重点研发计划的支持。刘增兵还获得了江西农业科学院基础研究及人才培养项目的支持。刘增兵还获得了江西省自然科学基金的支持。高正获得了国家自然科学基金的支持

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD2301301, 2017YFD0301601）、江西农业科学院基础研究及人才培养项目（JXSNKYJCRC202315）、江西省自然科学基金（20232BAB215012）、国家自然科学基金（42377309, 42407427）、山东省科技创新青年人才项目（SDAST2024QTA012）以及“一流学科”建设项目资金的支持