《Plant Physiology and Biochemistry》：Integrated impact of plant growth-promoting rhizobacteria and earthworms (
Eisenia fetida) on cadmium detoxification, microbial activity, health risk assessment, and protein-related biochemical responses in rice (
Oryza sativa L.)
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本研究针对农业土壤镉（Cd）污染严重威胁粮食安全与公共健康的难题，探讨了联合接种两种植物促生菌（PGPR，包括Serratia marcescens和Pseudomonas fluorescens）与蚯蚓（Eisenia fetida）对缓解水稻镉胁迫的作用。结果表明，该联合处理可显著促进水稻生长、增强光合效率、激活抗氧化防御系统，并有效降低水稻组织中Cd的积累，从而降低了人体健康风险指数。这为利用生物联合技术修复镉污染土壤、保障农产品安全提供了一种有潜力的可持续策略。
“民以食为天，食以安为先”，然而，全球范围内日益严重的农田重金属污染，尤其是镉（Cd）污染，正对这句古训构成严峻挑战。镉是一种毒性强、易移动、难降解的重金属，能在土壤和农作物中持久积累。水稻，作为全球超半数人口的主食，对镉具有特殊的“亲和力”，极易将其从土壤中吸收并转运至可食的籽粒中。长期食用镉超标的大米，会导致“痛痛病”等严重的慢性疾病，威胁人类健康。面对这一双重危机——土壤污染与粮食安全，寻求经济、有效且环境友好的修复策略迫在眉睫。传统的物理化学修复方法往往成本高昂且易破坏土壤生态。在此背景下，以自然之力修复自然的“生物修复”技术展现出巨大潜力。其中，植物促生菌（PGPR）和蚯蚓，这两种自然界中默默无闻的“土壤工程师”和“植物医生”，引起了科学家们的浓厚兴趣。那么，如果将这两种生物力量联合起来，是否能产生“1+1>2”的协同效应，更高效地帮助水稻抵抗镉毒害，并最终产出更安全的粮食呢？发表在《Plant Physiology and Biochemistry》上的一项研究，为我们揭晓了答案。
为探究上述问题，研究人员设计了一项严谨的温室盆栽实验。他们以水稻品种‘Sakha 101’为材料，在土壤中人为添加了高浓度的镉（100 mg kg-1）以模拟重度污染环境。实验设置了包括单独接种Serratia marcescens、Pseudomonas fluorescens，单独引入蚯蚓（Eisenia fetida），以及三者组合施用（标记为T11处理）在内的多个处理组，并以不添加镉和生物处理作为对照。研究团队综合运用了植物生理学、生物化学和分子生物学技术，系统评估了不同处理对水稻的影响。关键技术手段包括：通过LI-COR气体交换系统测定光合参数（如净光合速率Pn）；利用分光光度法测定叶绿素、类胡萝卜素含量以及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)等多种抗氧化酶活性；采用实时荧光定量PCR（RT-qPCR）技术分析上述抗氧化酶对应基因的表达水平；通过测定丙二醛（MDA）和过氧化氢（H2O2）含量来评估氧化损伤程度；使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和原子吸收光谱法（AAS）精确量化植物组织中镉及钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、磷(P)等营养元素的含量；此外，还对细胞壁组分（如果胶、纤维素、半纤维素）进行了分离与测定，并评估了根际土壤的微生物活性（如土壤呼吸、微生物生物量碳、脱氢酶活性）。最后，基于测得的镉含量计算了健康风险商数（HQ）和危害指数（HI）。
3.1. 植物生长和光合色素
研究结果显示，镉胁迫严重抑制了水稻的株高、根长、叶片数、叶面积以及根和茎的生物量（鲜重和干重）。然而，联合应用两种PGPR和蚯蚓（T11处理）能最有效地逆转这些生长抑制，使各项生长指标显著恢复。在光合作用方面，镉胁迫导致叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量大幅下降，同时净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)也显著降低。T11联合处理则能最大程度地提升光合色素含量，并显著改善气体交换参数，表明其有效缓解了镉对光合系统的破坏。
3.2. 氧化应激和抗氧化响应
镉胁迫诱导了显著的氧化应激，表现为叶片中MDA和H2O2含量急剧上升。联合生物处理（T11）能显著降低这两种氧化损伤标志物的含量。为应对氧化应激，水稻激活了自身的抗氧化防御系统。研究发现，无论是酶活性水平还是基因表达水平，SOD、POD、APX和CAT均在镉胁迫下上调，而在T11处理下得到进一步强化。同时，非酶抗氧化物质如总酚、类黄酮、抗坏血酸(AsA)和花青素的含量在镉胁迫下降低，但经T11处理后可显著恢复甚至提高。可溶性糖和还原糖含量也表现出类似的恢复趋势。这些结果表明，PGPR和蚯蚓的联合应用通过协同增强水稻的酶促和非酶促抗氧化防御网络，有效清除了过量的活性氧，减轻了膜脂过氧化等氧化损伤。
3.3. 养分吸收和镉积累
镉胁迫严重干扰了水稻对必需营养元素的吸收，导致地上部Ca、Mg、Fe和P的含量显著降低。T11联合处理显著改善了这些养分的吸收状况。最关键的是，该处理显著降低了镉在水稻根部和地上部的积累浓度。这表明，生物联合处理不仅帮助植物更好地获取营养，还通过某种机制限制了镉从土壤向植物体内、以及从根部向地上部（尤其是可食用部位）的迁移。
3.4. AsA-GSH循环、脯氨酸代谢和细胞壁组分
抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环是细胞内重要的抗氧化系统。研究发现，镉胁迫降低了还原型谷胱甘肽(GSH)和抗坏血酸(AsA)的含量，而提高了氧化型谷胱甘肽(GSSG)和脱氢抗坏血酸(DHA)的水平，表明氧化还原平衡被打破。T11处理能显著提高GSH和AsA水平，降低GSSG和DHA水平，有效地维护了AsA-GSH循环的还原力。脯氨酸是一种重要的渗透调节物质和抗氧化剂。镉胁迫下脯氨酸含量及其代谢相关酶（吡咯啉-5-羧酸还原酶P5CR、脯氨酸脱氢酶ProDH）的活性均上升，T11处理进一步强化了这一过程，增强了细胞的渗透调节和保护能力。在细胞壁组分方面，镉胁迫使果胶甲基酯酶(PME)活性、尿醛酸含量、半纤维素I、半纤维素II、纤维素含量以及果胶甲基化程度均下降。T11处理则能显著提升这些细胞壁组分的含量和相关酶活性。细胞壁作为镉进入细胞的第一道屏障，其组分的改变可能影响镉在细胞壁上的固定能力，从而减少其进入细胞质。
3.5. 微生物活性、健康风险评估和蛋白质相关生化响应
根际土壤微生物活性是土壤健康的重要指标。如表1所示，与单独镉处理（T1）相比，T11联合处理显著提高了土壤呼吸速率、微生物生物量碳和脱氢酶活性，表明其有效激活和促进了根际有益微生物群落的活力和功能。健康风险评估显示，T11处理使基于根部镉和地上部镉计算的危害商数（HQ）以及总危害指数（HI）均大幅下降，意味着通过食用该处理下水稻产品带来的潜在健康风险显著降低。在蛋白质代谢方面，T11处理增加了水稻叶片的总可溶性蛋白质含量、蛋白酶活性以及核糖体蛋白产量，表明生物处理有助于维持细胞正常的蛋白质合成与周转，支持了在胁迫条件下的细胞修复与功能维持。
本研究得出结论，在温室控制条件下，联合接种植物促生菌（S. marcescens和P. fluorescens）与蚯蚓（E. fetida）能通过多维度、协同的生理生化机制，有效缓解镉对水稻的毒害。其核心机制包括：1）促进植物生长，改善光合性能，保障能量来源；2）协同强化酶促与非酶促抗氧化防御系统，有效控制氧化损伤；3）调节脯氨酸代谢和AsA-GSH循环，维持细胞渗透平衡和还原态；4）改变细胞壁组分，可能增强其对镉的体外固定作用；5）改善土壤微环境，激活有益微生物活性，促进养分循环；6）最终实现降低镉在可食用组织的积累，从而显著降低膳食健康风险。文章在讨论部分指出，生物处理降低植株镉浓度的原因可能是多方面的，包括生物量的“稀释效应”、根际环境改变影响镉有效性、以及细胞壁固定等，需进一步研究确认。同时，研究强调这些积极结果是在短期温室实验中获得的，其长期稳定性、大田实际效果、经济可行性及对土壤生态的潜在影响仍需进行大规模田间验证和长期监测。尽管如此，这项研究为利用PGPR-蚯蚓联合生物强化策略，修复镉污染农田、生产安全农产品，提供了一条具有重要理论依据和应用前景的可持续农业新途径。
