《International Biodeterioration & Biodegradation》：Whole-genome and microbial diversity analyses reveal mechanism of GY8 for enhancing cadmium removal rate of duckweed
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提高镉修复效率的内生菌Agrobacterium fabrum GY8促进浮萍生长并降低氧化损伤，通过调控镉的亚细胞分布及化学形态，基因组分析揭示其涉及谷胱甘肽代谢、硫循环、ABC转运蛋白及苯丙烷代谢通路。
张米|刘宇婷|李向琴|陈志群|兰艳|谭爱娟|杨贵丽
中国贵州省贵阳市贵州大学生命科学学院/农业生物工程研究所，教育部山区植物资源保护与种质创新重点实验室，550025
摘要
内生菌在超积累植物中提高重金属修复效率的作用已得到广泛证实。然而，关于内生菌对超积累浮萍（duckweed）中镉（Cd）修复效率影响的研究仍较为有限。在本研究中，发现了一种具有抗镉性的内生菌Agrobacterium fabrum GY8，该菌可将浮萍的镉去除率提高至93%。此外，GY8的定植还促进了浮萍的生长（最高可达117.78%），并通过激活关键抗氧化酶途径减轻了镉引起的氧化损伤。进一步研究表明，GY8通过减少浮萍细胞器内的镉积累，并将可被NaCl提取的生物可利用镉转化为稳定的HCl可提取复合物，从而促进了植物修复作用。全基因组测序确定了与镉抗性和植物生长促进相关的GY8基因，包括参与谷胱甘肽代谢、硫循环、ABC转运系统及苯丙素生物合成途径的基因。微生物多样性分析证实了GY8在浮萍体内的成功定植及其优势地位。这些结果为内生菌提高浮萍镉去除效率的机制提供了新的见解，为开发植物-微生物联合修复重金属污染策略提供了理论基础。
引言
由于重金属（HMs）的毒性、持久性、不可生物降解性和生物累积性，它们对生物体、自然生态系统以及人类健康构成了严重威胁（Hossain等人，2020年）。随着工业的快速发展，冶炼、采矿和施肥等人类活动将大量重金属排放到环境中（Soni等人，2024年）。镉（Cd）是最危险的重金属之一，在20种最危险的金属中排名第七，并被列为I类致癌物（Yang等人，2004年）。环境中的镉难以通过物理或化学方法自然降解，导致其在自然界中长期残留，对动物、植物和人类健康构成巨大威胁（Lou等人，2025年）。镉会阻碍养分吸收，破坏光合作用，并引发氧化应激，最终抑制植物的生长发育（Mitra等人，2018年）。在动物和人体内，镉主要积聚在肝脏和肾脏中，导致器官功能障碍、代谢紊乱和生殖毒性（Kubier等人，2019年）。由于其高溶解度和移动性以及极长的生物半衰期，镉容易被植物根部吸收并转移到地上部分进行积累，随后通过食物链进入动物或人体，最终引发多种人类疾病（Zhao等人，2025年）。特别是受镉污染的水源，可能通过饮用水或灌溉植物进入人体，因此亟需修复水生系统中的镉污染。
植物修复是一种有前景的原位生物修复方法，因其成本效益高、操作简便且不对生态系统造成损害而在环境修复中具有广泛应用前景（Yin等人，2024年）。超积累植物如Lantana camara L.（Liu等人，2019年）和Sedum alfredii（Sytar等人，2021年）因具有较高的镉耐受性而被广泛用于镉污染修复。与陆地植物相比，浮萍作为一种水生漂浮植物，在水污染修复中具有更强的效果（Zheng等人，2022年）。浮萍由根和叶组成，具有生物量大、繁殖周期短和适应性强等优点，已被用于废水、放射性废物和农业化学品的修复（Ekperusi等人，2019年）。由于其能够吸收超过100 mg kg?1（干重）的镉并持续生长，浮萍被认为是修复水环境中镉污染的理想植物（Yang等人，2021a）。然而，随着水污染的加剧，浮萍的修复效果逐渐受到限制。这一限制促使研究人员探索各种策略来提升其修复能力，如基因改造和外来物质的应用。因此，增强浮萍对镉的富集能力和耐受性尤为重要。
近年来，科学家发现某些微生物可以通过提高植物的耐受性或生长速率来改善重金属的吸收（Dutilloy等人，2024年）。因此，植物与微生物的联合利用在重金属修复方面展现出巨大潜力。植物内生菌（PEs）是定植在植物体内而不引起疾病症状的微生物，据报道它们可通过多种物理化学效应增强宿主植物的抗逆性并促进植物生长（Yang等人，2023年）。研究发现，植入宿主植物或其他植物中的内生菌可促进植物的营养生长，并提高其对镉的耐受性和富集能力（Rane等人，2022年）。鉴于内生菌在增强多种宿主金属耐受性和积累中的作用（Yang等人，2023年；Rane等人，2022年），其在通过浮萍系统进行镉修复中的应用值得系统研究。目前的研究重点在于浮萍的镉抗性机制，但内生菌接种对浮萍镉修复效果的影响研究较少。
本研究聚焦于从Lemna minor 0014中分离出的抗镉内生菌Agrobacterium fabrum GY8。在优化GY8的生长条件后，通过测量生理指标（生物量、膜脂质过氧化）和抗氧化酶（过氧化物酶和过氧化氢酶）的活性来评估其在增强浮萍镉耐受性中的作用。此外，通过分析植物组织中的镉积累、亚细胞组分中的分布及其化学形态的变化，研究了GY8调节浮萍中镉分布的机制。结合GY8的全基因组测序，鉴定出与镉抗性、植物生长促进和转运相关的功能基因。最后，探讨了GY8定植对浮萍内生菌群落结构和多样性的影响。这项研究不仅为更好地利用浮萍与内生菌联合修复镉污染提供了新思路，也为阐明其作用机制提供了新的见解。
实验材料与生长条件
浮萍（L. minor 0014）来自贵州大学生命科学学院的浮萍种质库。浮萍经过灭菌处理后，在含有1.5%蔗糖的无菌Hoagland培养基中预培养7天。随后将其置于生长室中，温度为25°C，相对湿度为75%，光照-黑暗比为16:8（光照强度为40 μmol m?2 s?1）。
微生物与实验设计
GY8最初是从表面灭菌的
L. minor 0014组织中分离得到的，经过均质化处理后接种到...
GY8的鉴定
GY8从能够在镉胁迫下生长并促进宿主植物生长的L. minor 0014中分离得到。初步鉴定表明GY8是一种G? rod形的细菌（图1a和b）。通过全基因组测序比对和分析，确认其为Agrobacterium fabrum（图1c）。Agrobacterium属是已知的植物生长促进根际细菌（PGPR），通过多种协同机制增强植物生长并抵抗非生物胁迫（Bhat...
结论
从浮萍中鉴定出一种抗镉内生菌GY8，属于Agrobacterium fabrum。我们优化了GY8的生长条件，并研究了GY8与浮萍镉超积累之间的关联。结果表明，GY8通过提高植物的抗氧化能力和降低镉胁迫下的脂质过氧化水平来促进浮萍生长。此外，GY8通过减少细胞器中的镉分布并降低NaCl提取的镉含量来增强浮萍的镉耐受性...
CRediT作者贡献声明
张米：撰写——初稿、方法学、概念构建。
刘宇婷：验证、方法学、数据分析。
李向琴：方法学、实验研究。
陈志群：实验研究、数据管理。
兰艳：实验研究、数据管理。
谭爱娟：验证、概念构建。
杨贵丽：撰写——审稿与编辑、资金争取。
资金来源
本研究得到了
国家自然科学基金（编号：32460309）、
贵州省基础研究计划（自然科学领域）（编号：Qian-Ke-He-Ji-Chu ZK [2022] Zhongdian 021, Qian-Ke-He-Ji-Chu QN [2025] 025）、
贵州大学实验室开放项目（编号：SYSKF2025-023）、
贵州省科学技术协会青年精英科学家资助计划（编号：GASTYESS202402）以及
土壤协同控制与联合修复重点实验室开放基金的支持。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：杨贵丽报告获得了
国家自然科学基金的资助；杨贵丽还获得了
贵州省基础研究计划（自然科学领域和
贵州大学实验室开放项目的资助。
