重金属抗性促生细菌-能源植物芒草联合修复重金属污染土壤机制研究

In recent years, heavy metal contamination in soil has become a cause of serious concern in China. Phytoremediation of heavy metal contaminated soils by using bioenergy crops has been a highly recommended approach, because of its distinctive advantages. Miscanthus is a C4 perennial herb. Miscanthus has been considered as a potential bioenergy plant because of its high biomass, high cellulose content, low ash, high calorific value, remarkable adaptability to different environments, and low production cost, and it has become the focus of research in China as well as other countries. This study aimed to investigate the composition and functions of bacterial community in rhizosphere soils and the root endosphere of Miscanthus during phytoremediation of heavy metal contaminated soils in Jiyuan city, Henan province. High-throughput sequencing and molecular ecological networks analysis reveal keystone organisms. Heavy metal resistant plant growth promoting bacteria will be isolated and their effects on heavy metal accumulation, composition, and function of indigenous microbial community will be analyzed. The results of this study may be helpful in revealing the composition and functions of bacterial community during phytoremediation by bioenergy crops. The study further elucidates the mechanism of heavy metal tolerance in bioenergy crops and provides theoretical and experimental basis for the application of plant growth promoting bacteria in enhanced phytoremediation.

针对能源植物-促生细菌联合修复土壤重金属污染研究中存在的问题，本项目以河南济源重金属污染农田为修复对象，选取生物量大、纤维素含量高、适应性强的重金属耐性能源植物-芒草为修复植物，采用高通量测序和分子生态网络的方法研究修复中根际土壤、根部内生细菌群落组成，确定关键种群，指导重金属抗性植物促生细菌分离筛选，研究植物促生细菌强化能源植物芒草耐受、富集土壤重金属效应与机制。预期研究结果可阐明能源植物芒草修复重金属污染土壤过程中细菌群落组成和功能，并将进一步阐明能源植物耐受、富集土壤重金属机制，可为发展能源植物-促生细菌联合修复理论和技术提供实验依据。

芒草(Miscanthus)作为第二代能源植物，对重金属具有良好的耐受能力，在重金属污染土壤修复研究中越来越受到重视。研究表明微生物在修复植物的生长以及重金属的地球化学循环过程中起到重要作用。目前关于芒草修复土壤重金属污染过程中土壤微生物群落组成和功能的影响研究开展较少。本项目以中国地区生长的4个芒草品种湘南荻4号（XND）、湘芒1号（XM）、湘杂芒1号（XZM）、五节芒1号（WJM）为研究对象，分析其对土壤50 mg·kg-1Cd的耐受和富集能力。结果表明4种芒草为高浓度Cd的耐受植物、Cd主要富集于根部且从根部向地上部转移能力较弱。采用高通量测序分析表明芒草根际细菌群落由33个门、446个属的细菌组成，包含Bacillus、Sphingomonas、Mesorhizobium等植物促生细菌PGPR种群。Cd的添加能影响芒草根际细菌群落，降低其群落多样性。同时分子生态网络分析表明Cd的添加降低了芒草根际细菌之间的相互作用，导致其网络结构更为简单；降低了网络缓冲环境变化的能力；提高了负相关连线数，使根际细菌物种之间的竞争关系更强；降低了关键数量并改变其组成。PICRUSt功能预测分析表明Cd的胁迫降低了芒草根际土壤细菌功能。采用稀释梯度平板法分离芒草根际土壤、根部、茎部和叶部可培养细菌，并分析其植物促生活性。结果表明芒草根际和植物组织内部蕴含着丰富的产IAA、产精氨酸脱羧酶和溶解难溶性磷酸盐能力等生物活性细菌，广泛分布于短小杆菌属、根瘤菌属、芽孢杆菌属、伯克霍尔德菌属、鞘脂单胞菌属等优势种群。在芒草茎部分离了两株疑似新种RS10和RS1，实验对这两株菌从遗传学特征、表型及生理生化特征、化学特征等方面作进一步鉴定。结果显示，菌株RS10是Pedobacter的一个新种，RS1是Mucilaginibacter的一株新种。研究结果不仅阐明能源植物芒草修复重金属污染土壤过程中细菌群落组成和功能，并为发展能源植物-促生细菌联合修复理论和技术提供实验依据。