内生菌对东南景天根际土壤镉活化吸收和根系生长发育的调控机制研究

Plant growth promoting bacteria assistant phytoremediation of heavy metals contaminated soil is an international hot research point. Sedum alfredii is a native cadmium (Cd) hyperaccumulator of China with a large number of specific endophytic bacteria. Some of them have been proven to have a direct impact on the growth of root system and increase root cadmium uptake. However, the mechanism is not clear. This study intends to use metabonomics, transcriptomics and proteomics technologies, combined analysis techniques such as bioinformatics, LSM, SEM-EDX, etc, through pot experiment, hydroponic experiment, self-made root box experiment as well as laboratory simulation test, and to study: 1) the co-localization of specific endophytic bacterium and Cd in soil-plant system; 2) the effects and mechanisms of endophytic bacterium on root exudation and Cd activation in the rhizosphere; 3) the regulation pathway of endophytic bacterium on lateral root initiation and root hair formation. The results will be contributed to discover the mechanism of S. alfredii-endophyte interaction and establish a plant-microorganism remediation system for heavy metal polluted soils.

植物促生菌辅助重金属污染土壤植物修复是国内外研究的热点。东南景天是我国原生镉(Cd)超积累植物，体内有大量的特异内生菌，部分内生菌强化接种直接促进了根系的生长发育，提高了根系对镉的吸收，但其作用机理并不明确。本研究拟采用代谢组学、转录组学、蛋白组学测序，结合生物信息学、LSM、SEM-EDX等分析技术，通过盆栽试验、溶液培养试验、自制根箱试验结合室内模拟试验，1）研究特异内生菌与Cd在土壤-植物系统的共定位情况，2）分析内生菌影响根系分泌物和根际Cd活化吸收的分子机理，3）探讨内生菌调控侧根发生和根毛形成的可能途径，为探明东南景天-特异内生菌互作机理、建立植物－微生物联合修复技术体系提供理论依据。

植物体内存在大量共生内生微生物，然而这些内生菌与植物互作影响重金属的吸收、转运和积累的作用机制尚不完全清楚。本项目采用16S rRNA基因测序、转录组测序、代谢组分析等多组学技术，结合荧光成像、荧光定量PCR、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等分析技术，研究了东南景天特异内生菌在宿主和非宿主植物中的定殖模式、对根系生长发育和根系分泌物的影响以及调控根系镉（Cd）吸收和植物Cd积累作用的分子生理机制，并探索了特异内生菌剂实际应用的可能性，取得的主要结果如下：（1）采用荧光标记技术探明了特异内生菌在宿主植物东南景天和非宿主植物油菜中的定殖存活情况，明确了侧根在内生促生菌定殖过程中的重要作用；采用镉特异荧光探针检测发现，新生侧根也是Cd进入植物的主要通道。（2）揭示了内生菌通过调控多种植物激素的合成和信号传导，调控金属离子转运基因的表达，促进侧根发生和镉吸收；通过促进根系发育，减轻脂质过氧化、增强抗氧化酶活性、降低脯氨酸积累以及促进谷胱甘肽-抗坏血酸循环等途径减轻Cd胁迫对根系的损伤；通过调控植物Cd转运蛋白和蔗糖转运蛋白的表达，促进二者的反向运输，从而促进镉向地上部的转运；通过调控植物光合作用和碳同化途径，促进植物生长和镉的积累。（3）发现内生促生菌群的作用效果与组成菌株的原有生态位无关，单一菌株和混合菌群均可作为高效修复菌剂，且混合菌群的作用效果较优。这些研究结果为探明内生促生菌调控宿主和非宿主植物根系生长和Cd积累的分子生理机制、建立高效植物-微生物联合修复体系、提高重金属污染农田植物提取修复效率提供了科学依据，为后续高效修复菌剂的研发和大规模应用提供了技术支撑。项目发表SCI收录论文15篇，其中5年影响因子大于6.0的论文11篇，第一标注论文10篇，培养硕士生1名，博士生2名，其中1名博士生到丹麦奥胡斯大学交流访学1年，课题组成员参加国际会议6人次，做口头报告4人次，墙报1次。