基于多组学技术研究内生菌-柳树互作体系修复镉污染土壤的根际微界面过程和调控机制

Heavy metal pollution in farmland soils has become a serious threat to the safety production of crop grains in China. Phytoremedation of heavy metals polluted soils helps to reduce the concentrations of Cd in soils, thus to protect human health. Using endophytes to enhance plant growth and metal uptake by hyperaccumulators has been suggested as a possible strategy to facilitate the phytoremedation of heavy metal soils. However, the mechanisms involved in the interactions of plants and endophytes in heavy metal polluted soils, and its impact on Cd uptake and accumulation by plants grown on polluted soils is still unknown. The present study aims to investigate the possible mechanisms involved in cadmium uptake and accumulation by plants of a Cd accumulator willow with combination of the specific endophytes isolated from a Cd hyperaccumulator, and also the impact of endophytes-plant systems on biochemical properties of Cd in the polluted soils, the sorption sites, speciation and micro-distribution of Cadmium in the rhizosphere soil. To achieve the above goals, combined genomic techniques (Micro-CT、Micro-XRF、Nano-XRF、Micro-XAS、TXM etc.), and advanced analytical techniques (LC-MS/MS、DGT、16SrDNA etc.), will be applied. The results may help to facilitate the endophyte-assisted phytoexatration of Cd for contaminated soils.

我国土壤镉污染问题严重，植物-微生物联合修复镉污染土壤的研究工作虽有不少报道，但植物-内生菌系统之间的互作效应及其对重金属的响应与积累机制仍不清楚。本研究以镉富集柳树、超积累植物特异内生菌为材料，着眼于土壤-植物-微生物微界面镉的迁移、转化和积累过程，综合应用同步辐射光谱技术（Micro-CT、Nano-XRF、Micro-XAS等）并结合现代生化分析手段（LC-MS/MS、DGT、16SrDNA等），重点研究内生菌强化对柳树的促生效应、镉的响应模式与积累机制，从微纳尺度上原位分析内生菌对柳树根际土壤中镉的活化过程，在分子水平上揭示根际土壤中镉的赋存形态、结构特征和转化过程，明确内生菌对根际微生物群落结构演替的影响以及生态适应性。旨在探明柳树-内生菌联合体系对镉污染土壤的修复过程及其调控机理，探讨植物-内生菌优化体系在修复镉污染土壤中的潜在应用价值，为污染土壤修复技术的优化提供理论依据。

镉污染修复是我国土壤污染防治之中的热点问题。镉等重金属元素在土壤-植物系统中的迁移转化受微生物-植物共同作用，植物-内生菌系统之间的互作效应及其对重金属的响应与积累机制是植物-微生物联合修复的重要理论基础。本项目以镉富集植物柳树和镉超积累植物东南景天根内内生菌SaRB5、真菌印度梨形孢作为研究材料，重点围绕“柳树-内生菌互作体系对重金属的响应与积累机制、柳树-内生菌互作对污染土壤重金属根土界面过程与有效性的调控、柳树-内生菌联合修复镉污染土壤的生态适应性”展开研究，在重金属组学和微生物组学的基础上，综合运用ICP-MS、LC-MS/MS、GC-MS、μ-XRF、SEM、16SrDNA等高新技术，实现了在微米和纳米尺度上解析有毒重金属镉在柳树中的微区定位和迁移规律。阐明了柳树-内生菌互作体系在短期内对重金属污染土壤的修复作用以及移栽后短期内微生物群落的组装对植物重金属吸收的调控作用；探究了柳树-内生菌互作体系对镉的吸收积累机制以及镉在柳树各部位中的分布特征，进一步明确了内生菌接种对于柳树生长和镉积累的促进作用；利用激光共聚焦等仪器，验证了内生菌和印度梨形孢在柳树根系的定殖规律，揭示了柳树根际细胞中镉的赋存规律；率先明确了微生物群落在根土界面微环境的调控作用是超积累植物根际重金属分布与微生物群落结构特征变化的关键机制；揭示了大田实际应用过程中植物-内生菌互作系统对不同类型土壤的修复效率差异。上述研究结果为深入探明内生菌-柳树根际复杂的重金属-植物-微生物互作机制以及提高重金属修复效率奠定了理论基础。本项目相关研究成果在Plant cell & Environment、Environment International、Environmental pollution和Ecotoxicology and Environmental Safety国际权威刊物发表SCI源刊论文8篇，影响因子合计67.216，另已投稿SCI论文6篇。