《Journal of Environmental Sciences》：Cadmium/arsenic co-contamination drives delayed succession of root endosphere bacteria and aligns with the metal partitioning stage in maize
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根际微生物时空动态调控玉米镉砷共污染积累：低/高污染条件下根系微生物群落演替与金属分配因子变化关联性研究。
作者列表：华桂丽、耿丽萍、李定豪、赵一丹、高佩佩、孙洪欣、杨淑珍、赵全利、薛培英、刘文举
中国北方作物改良与调控国家重点实验室，河北农业大学，保定市，河北071000
摘要
研究表明，与根系相关的微生物群能够介导镉（Cd）和砷（As）从土壤向作物的转移。然而，在不同水平的Cd–As共污染条件下，这些微生物群的时间动态及其与玉米中金属积累的关联仍不清楚。本研究通过田间实验，在低（LS）和高（HS）Cd–As共污染水平下，探讨了根系相关细菌的动态变化及金属在玉米生长过程中的积累情况。结果表明，虽然根际微生物群落保持稳定，但在高污染条件下，根内层细菌的时间演替推迟了一个生长阶段，而不仅仅是多样性降低。在LS条件下，多样性（Shannon指数）和丰富度（Chao指数）在抽穗期（TS）达到峰值；而在HS条件下，这一峰值则推迟到了灌浆期（GS）。这种延迟与金属分配的变化相吻合：在TS阶段，镉主要滞留在根部，其转移因子（TF）分别减少了33.73%-238.61%（HS）和31.34%-191.20%（LS）；砷在GS阶段也表现出类似的趋势，TF分别减少了36.36%-272.24%（HS）和56.25%-146.44%（LS）。这种金属特异性的变化与放线菌的富集有关。具体而言，链霉菌、农杆菌和微杆菌在TS阶段的富集抑制了镉的转移，而勒谢瓦利埃菌和分枝杆菌在GS阶段的富集则限制了砷的转移。这些发现为基于微生物组的Cd–As共污染土壤修复提供了阶段同步的框架。
引言
有毒金属（尤其是镉和砷）对全球粮食安全和人类健康构成严重威胁。最新评估显示，全球约16%的耕地（2.42亿公顷）受到重金属污染，其中镉和砷是最常见的农业污染物（Huang等人，2024a；Hou等人，2025）。在中国，镉（18.03%）和砷（2.95%）是农田土壤中最常见的污染物（Zeng等人，2021）。这两种元素都被认为是强致癌物，可通过饮食进入食物链，对公众健康构成重大风险（Ning等人，2023）。它们的环境行为存在根本差异：镉主要以二价阳离子形式存在，而砷则以氧阴离子形式存在，导致对土壤条件的不同反应。例如，在淹水田等厌氧环境中，砷因还原作用转化为亚砷酸盐而变得更加活跃和有毒（Takahashi等人，2004），而镉则通过硫化物沉淀被固定（Arao等人，2009）。相比之下，在典型的玉米田有氧条件下，砷主要通过吸附被固定，而镉的生物可利用性增加（Huang等人，2023）。此外，土壤pH值反向调节这两种金属的生物可利用性：酸性条件增加镉的移动性但降低砷的可用性，而碱性条件则产生相反效果（Wen等人，2025）。这些拮抗作用使得同时稳定这两种金属特别具有挑战性（Darma等人，2023）。玉米（Zea mays L.）是一种主要粮食和饲料作物，其籽粒中积累的重金属量较低，但在营养组织中积累较多，通过食物链对健康构成严重风险（Rizwan等人，2017；Beri等人，2020）。因此，迫切需要开发原位绿色技术以确保玉米的安全生产。
与根系相关的细菌，如根际和根内层细菌群落，构成了植物的“第二基因组”（Wang等人，2024b）。这些微生物参与多种金属解毒机制，如根际固定、细胞内隔离和抑制金属向地上部分的转移，在帮助宿主植物缓解重金属胁迫方面发挥关键作用（Etesami和Srivastava，2022）。从根际分离出的Serratia liquefaciens CL-1和Bacillus thuringiensis X30通过降低DTPA可提取的镉含量和减少油菜籽中镉向地上部分的转移来减少叶片中的镉积累（Han等人，2018）。同样，Cupriavidus taiwanensis KKU2500-3的定植通过诱导谷胱甘肽还原酶相关活性和增加脯氨酸含量显著减少了水稻根部向地上部分的镉转移（Xia等人，2024）。Bacillus sp. LH14（Wang等人，2024a）和Ensifer sp.（Zhao等人，2024）通过表达砷甲基转移酶基因（arsM）来转化砷并降低其移动性，并含有aioA基因，该基因可以在砷（III）氧化为砷（V）时使用NO3?作为最终电子受体。总体而言，这些发现表明利用与根系相关的微生物群是一种创新且环保的可持续生物修复策略。值得注意的是，与根际细菌相比，定植于植物内部组织的根内层细菌与植物之间的相互作用更为密切，表现出更强的缓解重金属胁迫的能力（Tiwari等人，2016；Wang等人，2018；Sun等人，2021）。然而，现有研究主要集中在根际微生物上，对根内层细菌的关注不足，且大多局限于单一重金属条件。由于根系招募的细菌群落及其功能适应性与特定作物高度相关（Zhang等人，2018；Wang等人，2024b），因此需要鉴定玉米中的功能性根系相关细菌以推进针对性的生物修复。
重金属污染对土壤微生物组成的影响受到了越来越多的研究关注（Song等人，2020）。根系相关细菌的组成受土壤污染水平的影响（Chen等人，2019；Xiong等人，2021a）。农业土壤中的高镉含量导致根际细菌群落多样性低于低镉含量（Song等人，2020），同时细菌共现网络的复杂性也降低（Wu等人，2024）。重金属污染区域的优势门类（变形菌门、厚壁菌门和酸杆菌门）的丰度与非污染区域有显著差异（Kenarova等人，2014）。高砷胁迫通过增加黄酮类物质的生物合成显著吸引了根际固氮细菌（Lin等人，2024）。然而，不同水平的Cd–As共污染如何重塑根系相关细菌群落仍不清楚。
除了外部污染压力外，根系相关细菌的组成和功能还受植物发育阶段的动态调节（Zhang等人，2019；Xiong等人，2021b），这归因于根系分泌物和根际物理化学性质（如pH值）的阶段特异性变化（Zhang等人，2018）。研究表明，生物可利用的镉含量显著影响水稻拔节期和成熟期的根际细菌群落，而土壤pH值显著影响分蘖期和抽穗期的根际细菌群落（Yi等人，2023）。在整个分蘖期间，水稻根际招募了芽孢杆菌和马赛利亚菌，导致根际土壤中镉的生物浓缩因子降低，可能是由于强烈的代谢活动（如矿化作用和细胞外聚合物的吸附）（Li等人，2018；Yi等人，2023；Yan等人，2024）。我们之前的研究表明，Cd和As的共污染在作物成熟期重塑了根际微生物群落（Sun等人，2024）。然而，该研究仅关注了单一时间点的根际群落。由于成熟期根系生理活动因衰老而下降（Tunc和von Wirén，2025），这种相关的微生物组特征可能无法反映植物活跃的微生物招募情况。因此，有必要系统研究Cd–As共污染条件下根系相关微生物组的时间动态及其与玉米中阶段特异性金属积累的相关性。
因此，在长期受到Cd和As共污染的农田中进行了田间实验，分别研究了高和低污染水平下的四个关键发育阶段（大喇叭口期（BS）、抽穗期（TS）、灌浆期（GS）和成熟期（MS）的土壤、根际和根内层细菌群落（ = 72）。本研究的目的是（1）阐明发育阶段和土壤污染水平如何共同影响根系相关细菌群落的组成；（2）识别参与调控镉和砷积累的关键功能细菌类群。通过揭示根系微生物群演替与金属分配之间的时间相互作用，本研究为植物–微生物–金属相互作用提供了新的见解，并为制定针对Cd–As共污染农田的阶段特异性微生物策略提供了科学依据。
研究地点
研究地点
田间实验在中国北方河北省进行（38°47′36″N, 115°44′13″E）（附录A 图S1）。由于长期废水灌溉和冶炼厂排放，该地区的农田土壤受到Cd和As的共污染（Sun等人，2024）。土壤主要为钙质冲积水田土，pH值大于7.5。本研究使用了两个Cd和As污染程度不同的地块，表层土壤中的Cd和As浓度分别为1.47至3.22 mg/kg和38.43至128.63 mg/kg
发育阶段和污染水平共同调控玉米中的镉和砷积累
玉米籽粒中的镉和砷浓度分别为0.02至0.04 mg/kg和0.02至0.06 mg/kg（附录A 图S2a），HS条件下的浓度分别是LS条件的8.1倍和7.3倍。籽粒中的镉和砷浓度低于中国的国家安全限值（0.1 mg/kg；0.5 mg/kg；GB 2762-2022）（附录A 图S2a）。然而，HS和LS条件下的地上部分镉浓度均超过了中国的饲料卫生标准（镉：1 mg/kg）
抽穗期和灌浆期是玉米中镉和砷的差异性固定阶段
本研究发现，玉米中镉和砷的吸收和转移主要受植物生长阶段的影响。镉和砷在不同阶段表现出明显的特异性模式，抽穗期（TS）和灌浆期（GS）分别是镉和砷的固定阶段（图1）。这可能是因为镉和砷的吸收途径不同。根系对镉的吸收与铁（IRT1）、锰（ZmNramp5）和锌（如ZIP家族）等必需微量元素的转运蛋白共享
结论
本研究揭示，玉米根系在高水平的Cd–As共污染下动态调节根内层微生物群的时间演替，从而实现阶段特异性的重金属固定。在高污染条件下，微生物群需要更长的时间来重新配置其代谢策略，导致微生物演替滞后，使群落的结构和功能峰值从抽穗期（TS）转移到灌浆期（GS）。这种时间重构
CRediT作者贡献声明
华桂丽：撰写 – 原初稿撰写、研究、数据管理。耿丽萍：监督、资源提供。李定豪：研究。赵一丹：资源提供、研究。高佩佩：撰写 – 审稿与编辑、监督。孙洪欣：资源提供、研究。杨淑珍：资源提供、研究。赵全利：监督、资源提供。薛培英：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念化。刘文举：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号U21A2024和42277400）、国家重点研发计划（编号2022YFD1901300）、河北省科技计划（编号24466301D）和河北省教育厅科研项目（编号YJZ2024001）的支持。我们感谢American Journal Experts (AJE) Language Editing Services对手稿的编辑工作。
