联合固氮伯克氏菌强化植物修复Cd污染土壤机理研究

土壤重金属污染是全球面临的重大环境问题之一，Cd因其较强的生物毒性和强烈的"三致"作用，而受到人们广泛关注。植物修复法因其环境友好、不产生二次污染、修复成本低廉等优点，而成为重金属污染土壤修复的热点，但是植物修复也存在着修复植物生物量小、生长缓慢、重金属的吸收总量少等瓶颈问题。本立项以定殖在重金属修复植物根际，具有植物促生和重金属活化作用的联合固氮伯克氏菌为研究对象。利用液质联用（HPLC-MS）、绿色荧光蛋白基因（gfp）标记、扫描\透射电子显微镜能量分散光谱(SEM/TEM-EDX)联用、表达谱基因芯片分析等分析手段，从组织-细胞-基因表达水平，深入研究联合固氮伯克氏菌对植物生长发育及Cd吸收的影响，阐明联合固氮伯克氏菌在Cd污染土壤植物修复中的生物强化作用机理,为高效治理重金属Cd污染提供科学依据。

镉（Cadmium，Cd）是生物非必需元素，具有较强生物毒性，是土壤重金属污染首要控制元素之一。结合前期研究基础，本研究以重金属超级积累植物东南景天和模式植物番茄为研究材料，从组织-细胞-基因表达水平，深入研究联合固氮伯克氏菌对植物生长发育及Cd 吸收的影响，阐明联合固氮伯克氏菌在Cd 污染土壤植物修复中的作用机理,为高效治理重金属Cd 污染提供科学依据。主要研究结果如下：（1）抗重金属植物促生菌的分离筛选与植物促生特性研究。通过采集典型重金属复合污染土壤样品，筛选到10株重金属Cd耐受性细菌菌株。其中菌株D54具有较强重金属耐受性和优良植物促生特性。通过形态学，生理生化以及16S rDNA序列分析法研究表明，菌株D54归属于伯克氏菌属（Burkholderia）。菌株D54具有产生植物生长激素IAA、分泌嗜铁素和ACC脱氨酶，溶解难溶（Ca3(PO4)2）固氮等植物促生特性（2）菌株D54对重金属超积累植物东南景天生物量与重金属累积的影响。盆栽结果表明，接种菌株D54能显著提高施用重金属超积累植物东南景天生物量。菌株D54能够显著提高东南景天对重金属Pb、Cd和Zn的吸收量。（3）菌株D54影响番茄幼苗生长及Cd吸收与分布。接种抗重金属植物促生菌影响进入根部细胞的Cd亚细胞组分Cd分布，通过不同方式固定化（细胞壁结合和细胞质区隔化沉淀），降低Cd生物毒性与迁移性，诱导抗氧化系统酶活性的变化，应对Cd胁迫对细胞毒害，提高叶片光合色素含量，最终对番茄幼苗各器官生物量产生影响。（4）Cd胁迫下菌株D54对番茄幼苗基因表达的影响。借助番茄全基因组芯片及其分析技术，从全基因组水平研究Cd耐受性植物促生菌D54对番茄幼苗生长发育、Cd吸收转运与累积相关基因表达的影响。结果表明，接种菌株D54通过诱导番茄幼苗系统抗性机制（ISR）对多个功能基因家族转录产生影响，包括叶绿素合成与光合系统、碳水化合物合成代谢、胁迫应答、系统防御、氧化还原活性以及金属离子转运等。