金属抗性植物促生细菌在土壤-植物系统中的定殖特征及其强化植物修复重金属污染土壤机制研究

植物-微生物联合修复重金属污染土壤对解决土壤重金属污染、改善生态环境、保障食物安全和发展可持续农业等有重要的意义。但是，目前关于金属抗性植物促生细菌在土壤-植物系统中的定殖特征和根际效应的研究极其薄弱，植物-微生物联合修复机理也亟待深入研究。本项目利用绿色荧光蛋白基因标记金属抗性植物促生细菌，采用根际研究法、激光共聚焦显微观察法、现代微生物分子生态学等方法，探究绿色荧光蛋白基因标记菌株在重金属污染土壤-植物系统中的定殖特征及其关键影响因素，并研究标记菌株在重金属污染土壤-植物系统中对土壤重金属形态和含量、根际土壤微生物群落结构和活性、植物生长与耐受重金属等的影响，揭示重金属污染土壤一植物系统中金属抗性植物促生细菌强化植物修复的机制。预期研究结果将为植物-微生物联合修复重金属污染土壤提供理论依据和调控途径。

植物-微生物联合修复重金属污染土壤对解决土壤重金属污染、改善生态环境、保障食物安全和发展可持续农业等有重要的意义。本项目通过研究金属抗性植物促生细菌在重金属污染土壤-植物系统中的定殖特征、对根际土壤微生物群落结构和活性、植物生长与耐受重金属的基因和蛋白差异表达等的影响，揭示重金属污染土壤一植物系统中金属抗性植物促生细菌强化植物修复的机制。本项目优化了金属抗性植物促生细菌Burkholderia sp. J62、Rhizobium sp. W33、Bacillus megaterium 1Y31与油菜、印度芥菜、黑麦草、狼尾草等联合修复镉、铜、锰等重金属污染土壤的体系，功能菌株通过提高狼尾草生物量从而提高植物Mn富集量，或促进黑麦草吸收更多Cu而提高富集量。构建了绿色荧光蛋白基因标记的金属抗性植物促生细菌，在重金属胁迫下功能菌株能够在植物根表良好定殖，在20 d内数量保持在106 CFU/g，成为根内生可培养细菌优势种群。接种Rhizobium sp. W33的印度芥菜Ban Sin品种根际微生物功能多样性指数高于其他品种和对照处理，根际产IAA细菌比例和产铁载体细菌比例也高于其他处理。在添加50 mg/kg Cd的土壤中，接种Burkholderia sp. J62影响了油菜根际土壤的细菌群落结构，根部内生与根际土壤可培养细菌群落组成种群较为相似，Proteobacteria (α-, β-, γ- subdivision)的条带是最主要的菌群。重金属胁迫和接菌处理对油菜基因表达都有影响，Cd 100 mg/kg胁迫下接种Burkholderia sp. J62处理组的油菜根部有1301个基因差异表达，叶部有2893个基因差异表达。这些差异基因分为19类，其中油菜根部与植物耐受、富集和转运直接相关的基因glutamine synthetase cytosolic isozyme 1-1 (GSR)显著上调表达。在0、2、10 mM浓度的Mn处理下，接种Bacillus megaterium 1Y31处理后杂交狼尾草叶片蛋白中的差异蛋白分别鉴定出27、38、33个，其中22、20、23个蛋白上调至少3倍。在高锰浓度下接菌处理使RuBisCO、ATP合成酶等涉及光合作用和能量合成的蛋白上调，谷胱甘肽S基转移酶等涉及环境刺激的蛋白下调。