苋菜品种对土壤Cd、Pb、Cr同步低吸收的根际微生物机制

Extensive agricultural soil in China is subjected to combined heavy metals contamination at slight/mild level. Utilizing the low uptake mechanisms of crop cultivars to reduce heavy metal accumulation in crops is one of the best choices for agricultural product safety. However, the intrinsic mechanism involved in simultaneously low uptake of combined heavy metals has not been elucidated. Under the same soil condition, selective colonization of growth-promoting rhizobacteria community with low heavy metal activation may be the cause of low heavy metals uptake by crop cultivars. To dissect the specific mechanisms, this study uses amaranth cultivars with synchronous high/low uptake of Cd, Pb, Cr as models and investigates the succession of their growth-promoting rhizobacteria (including potassium bacteria, cellulose decomposing microbes, phosphate solubilizing bacteria, and siderophore-producing bacteria) and its relation with transformation of soil heavy metals speciation and root uptake. The key rhizobacteria community controlling rhizosphere soil heavy metal activation will be identified. The reproduction patterns of the rhizobacteria community under different root exudates induction will be surveyed using fluorescent gene tracer and amino acid carbon isotope labeled technique, so as to reveal the incentive to colonization of the key growth-promoting rhizobacteria. These results will provide scientific basis for controlling combined heavy metal uptake by crops.

我国耕地重金属污染面积大、以轻微和轻度为主、多种重金属共存。利用作物品种对重金属的低吸收机制减少重金属在农作物中的累积是保障农产品安全的理想途径。然而，针对多种重金属复合污染的同步低吸收机制尚不清楚。在相同的土壤条件下，作物品种通过释放根系分泌物，选择性定殖重金属活化能力低的促生菌群可能是低吸收品种少吸收重金属的根源所在。为剖析其具体科学机制，本项目以前期筛选的对多种重金属（Cd、Pb、Cr）同步高/低吸收的苋菜品种为材料，研究促生菌群落（解钾菌、纤维素分解菌、解磷菌、铁载体分泌菌）在苋菜品种根际的演替过程及其与惰性态重金属向生物可利用态转化和根系吸收之间的关联，探明控制根际土壤重金属活性的关键促生菌群。利用发光酶基因示踪和碳同位素氨基酸标记技术研究不同根系分泌物诱导下该促生菌的繁殖规律，弄清其根际定殖的诱因，为研制可同步降低多种重金属吸收的调控技术提供理论依据。

我国大面积的农田土壤受重金属（Cd、Pb、Cr）复合污染，土壤中的重金属在作物根际被活化、吸收，严重威胁农产品安全和人体健康。通过调控根际微生物群落结构阻断作物根际对土壤重金属的活化可能是减少重金属在农作物中吸收累积的重要途径。本项目利用16S高通量测序技术和宏基因组技术对比分析重金属（Cd、Pb、Cr）同步低累积品种（全红苋菜）和高累积品种（柳叶苋菜）的根际微生物群落和功能差异及其与土壤重金属活化的关系，弄清了土壤重金属根际微生物活化的主要机制及微生物根际定殖机理。结果表明，苋菜根际微生物主要包括放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、厚壁菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门、硝化螺旋菌门、蓝藻细菌等。生长过程中，柳叶苋菜根际主要富集了新鞘氨醇杆菌、伯克霍尔德菌、酸杆菌、 芽单胞菌、根瘤菌、亚硝化单胞菌、假黄色单胞菌、芽孢杆菌等促生菌。全红苋菜根际主要富集了草酸杆菌、酸杆菌、芽单胞菌、亚硝化单胞菌、丛毛单胞菌等促生菌。柳叶苋菜根际微生物在氮管理，磷选择性孔蛋白，钾、铁、锌、钴转运方面的基因丰度明显高于全红苋菜根际，表明溶磷菌、解钾菌、铁载体分泌菌等促生菌可能是根际微生物重金属活化差异的关键菌群。分析参与土壤重金属活化的代谢系统，主要包括TCA循环、丙酮酸代谢、乙醛酸盐和二羧酸根阴离子代谢三个途径，苹果酸脱氢酶可能是不同土壤样本间微生物有机酸合成差异的关键酶。甲基趋化蛋白MCP和鞭毛合成蛋白FlhA是决定微生物根际趋化的关键基因。利用选择性培养基从苋菜根际分离了芽孢杆菌属、土壤杆菌属、四球菌属、欧文氏菌属、肠杆菌属等二十多种促生菌，均对土壤重金属具有较强的活化效果。柳叶苋菜根际促生菌在种类、丰度和重金属溶解活性方面均优于全红苋菜。苋菜根系分泌的葡萄糖、乳酸等小分子化合物对促生菌具有较强的正趋化效应。因此，苋菜根际选择性定殖对土壤重金属低活化度的微生物是苋菜低累积重金属的重要机制，通过调控根际微生物群落结构减少重金属在农作物中的积累具有一定的科学依据。