苜蓿中华根瘤菌及其共生体系对铜污染土壤修复的促进作用机理和生态响应

Abstract: Copper is toxic and harmful to the environment. Through the study supported by the State Natural Sciences Youth Fund Program , we found S. meliloti CCNWSX0020 had a strong resistance to Cd2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+. Moreover, this strain could efflux Cu2+ to reduce Cu concentration in intracellular by Cop and Cue system. CutEC、CueR、CopB、CusC were predicted to involved into Cu homeostasis. In addition, S. meliloti CCNWSX0020 could improve the symbiotic plant Medicago lupulina absorb Cu2+. All these results have been published on <<Journal of Bacteriology>>, <<Bioresource Technology >>and <<Journal of Agro-Environment Science>>. But what is the promotion mechanism of bioremediation using the symbiosis under copper contaminated soil? How affect the ecological response of the copper-contaminated soil, including rhizosphere soil microbial community structure and soil physical chemical properties, induced by the symbiosis ? The continuous funding will focus on these two key scientific issues. The mechanism of bioremediation by Sinorhizobium-Medicago lupulina symbiosis under copper contaminated environment will be revealed finally.

摘要：铜是常见的有毒污染物质，对生态环境有很大的危害。课题组在青年基金项目执行过程中发现，苜蓿中华根瘤菌CCNWSX0020对Cu2+具有较强耐受性，菌株通过Cop和Cue系统将细胞内Cu2+排出细胞，同时细胞表面的官能团也参与了铜的结合；在分子水平上，CutEC、CueR、CopB、CusC等基因也参与了细胞内Cu2+的平衡；菌株CCNWSX0020可提高共生植物天蓝苜蓿对Cu2+的吸收。这些研究结果分别发表在《Journal of Bacteriology》、《Bioresource Technology》和《农业环境科学学报》等刊物。但是根瘤菌促进共生固氮体系对铜污染土壤的生物修复作用机理是什么？共生固氮体系对根际土壤微生物群落结构组成和土壤理化性质等生态响应的影响如何？拟申报的连续资助项目将围绕这两个关键科学问题开展研究，以期揭示苜蓿中华根瘤菌及其共生固氮体系对铜污染土壤的生态修复

根瘤菌是土壤中广泛分布的一类能与豆科植物共生结瘤固氮的重要农业微生物资源， S. meliloti CCNWSX0020分离自陕西凤县重金属尾矿的天蓝苜蓿（Medicago lupulin），能抗高达1.8 mM CuSO4。将CCNWSX0020-天蓝苜蓿共生固氮这一生理过程与铜污染土壤修复相结合，从植物自身抗氧化酶系统响应研究接种CCNWSX0020提高植物铜耐受机理。盆栽条件下，接菌植物地上部分和根部对铜的吸收量分别提高了34.0%和120.4%，表明接菌的天蓝苜蓿能够耐受更高浓度的铜。通过对植物抗氧酶系统的测定，在共生体系发育的不同阶段，铜增加了植物体内丙二醛的含量，接种CCNWSX0020的植物丙二醛含量下降。接菌植物茎叶超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性，在不同阶段显著提高；接菌植物根部的SOD，过氧化氢酶和谷胱甘肽还原酶的活性也有不同程度的提高。在铜胁迫条件下，接菌植物根部抗氧化酶基因CuZnSODc、CuZnSODp、CAT、APX 和GR都普遍上调，在接菌植物茎叶也有类似结果，即CuZnSODc、 CuZnSODp、CAT 和APX表达上调。根瘤菌除了固氮作用之外，还能产生胞外代谢物、生长激素以及ACC脱氨酶促进植物生长和积累铜。为加强S. meliloti CCNWSX0020-天蓝苜蓿共生体系在铜污染土壤修复中的应用价值，构建了过量表达ACC脱氨酶的菌株S. meliloti CCNWSX0020 (pRKACC)。经检测发现S. meliloti CCNWSX0020 (pRKACC) 的ACC脱氨酶活性是野生型的12.6倍。接种S. meliloti CCNWSX0020 (pRKACC) 的植物产生的乙烯含量显著下降，植物的生物量及根长提高，同时也显著提高了植物对铜的总吸收量，但同时又降低了植物根部向地上部分对铜的转运系数。这显示出S. meliloti CCNWSX0020 (pRKACC)-天蓝苜蓿共生体系在植物固定技术中的实际应用潜力，降低因水土流失、土壤侵蚀而导致有毒重金属向食物链转移的风险。铜的污染程度对根际微生物群落结构有比较明显的影响，重度污染土壤中细菌种类要少于轻度污染土壤，而接种根瘤菌对土壤微生物群落虽然有影响但并不是很大。因此该共生固氮体系在重金属污染土壤修复中有一定的实际应用潜力。