根际微生物在壶瓶碎米荠超积累硒过程中的作用及其机制

C. hupingshanesis was identified as a novel SeCys2-huperaccumulator, which could not be explained by known theories based on Selenocysteine Methyltransferase (SMT) over-expression. The present project will focus on the role of rhizosphere microorganisms in its selenium (Se)-hyperaccumulation. In Spring, the seedlings with 7 leaves of C. hupingshanesis will be transplanted in in-situ soils with active original microorganisms, in-situ soils with irradiated microorganisms and in-situ irradiated soils incubated with separated Se-tolerant rhizosphere bacteria from C. Hupingshanesis, respectively. Then, total Se contents and Se species will be determined on roots, stems and leaves during seedling, bolting, flowering, maturing and wintering, respectively, which will evaluate the effects of rhizosphere microorganism on Se-accumulation. Meanwhile, the Biolog-Eco analysis and PCR-DGGE analysis will perform on their rhizosphere microorganisms. Furthermore, the interactions among Se, rhizosphere microorganisms and roots will be characterized by SEM-EDS, TEM-EDS, STXM and XAFS. A model will be proposed to explain the role of rhizosphere microorganisms. The present project will be useful to understand the Se metabolic processes on rhizosphere microorganisms and the interactions between microorganisms and plant, which will be helpful for Se-remediation and offsite cultivation of C. hupingshanesis.

壶瓶碎米荠能显著积累硒代胱氨酸，但不能被现有的硒代半胱氨酸甲基转化酶高效过量表达理论解释。本项目从根际微生物角度出发，研究壶瓶碎米荠超积累硒的机制。通过原生态基质移栽、灭活基质移栽、根际分离菌株接种移栽等三种情况下的壶瓶碎米荠栽培模拟实验，监测植株器官在全生长周期中硒分布与硒形态，评价根际微生物的作用；借助Biolog-Eco微平板分析、PCR-DGGE分析表征植株生长周期中根际微生物的群落变化特征；结合扫描电镜(SEM-EDS)、透射电镜(TEM-EDS)、扫描透射X射线显微分析(STXM)和X射线吸收精细结构分析(XAFS)等原位-微区分析方法，对不同生长周期根际的硒-微生物-根的相互作用关系进行表征，建立根际微生物作用的机制模型。本项目对于理解根际微生物的硒代谢过程、微生物-植物的根际相互作用具有重要的意义，将为硒污染土壤修复、壶瓶碎米荠的异地栽培提供理论基础。

.项目负责人在湖北恩施硒矿区发现一种新型硒的超积累植物——壶瓶碎米荠（Cardamine hupingshanesis），其在根中可累积硒高达8000微克/千克（干重），在其叶中也可累积硒高达3000微克/千克（干重），而且其中积累的硒是以硒代胱氨酸（90% 以上）为主存在的，现有的机制无法予以解释。.在对壶瓶碎米荠整个生长周期过程中的根际微生物进行群落结构分析发现，根际土壤中的硒含量越低，根际微生物的数量越多，但群落结构相对较为简单；而土壤中硒含量越高，其根际土壤中的微生物数量相对越低，但群落结构相对较为复杂。土壤中硒含量较高时，对硒无耐受性或耐受性较低的微生物在高硒环境中无法存活，最终对硒具有较高耐受性的群落结构复杂的菌群，如寡养单胞菌（Stenotrophomonas）、假单胞菌属（Pseudomonas）和类芽孢杆菌属（Paenibacillus）被筛选在根际环境中。.壶瓶碎米荠体内含有丰富的耐硒内生菌，且不同生长阶段和器官中耐硒内生菌的类型和数量均不同。花期耐硒菌类型最少，种子期最多；叶中耐硒菌类型最多，茎中较少。其中甲基营养型芽孢杆菌(Bacillus methylotrophicus)最多，其次为苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)。Bacillus sp.为壶瓶碎米荠中优势内生菌属。而且壶瓶碎米荠耐硒内生菌与植物组织总硒含量和硒转化形态成显著正相关关系，表明耐硒内生菌在壶瓶碎米荠超累积硒以及将硒转化为硒代胱氨酸过程中具有重要作用。.此外，该研究组在作物硒生物营养强化的附属效应上取得了一些重要进展。对重金属（镉和铅）暴露油菜作物进行适量的土壤硒改良，发现硒不仅可以提高作物的产量，而且可以降低作物各组织中的有毒重金属含量，抑制作物对重金属的吸收、转运和蓄积。通过硒土壤调理剂改良土壤，获得硒营养强化的西红柿和苹果不仅具有更高含量的超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽（GSH），显示其具有更高的抗氧化性，而且可以对抗水果病原真菌的侵染，如：扩展青霉菌（Penicillium expansum）、灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）。..