溶磷菌对盐地碱蓬根际土壤镉活化的分子机制多组学研究

Many soils are affected by both salinity and heavy metals. It will be a good strategy if application of salt hyperaccumulating halophytes for remediation both of them. Our previous study found that Suaeda salsa could hyperaccumulate salt and soluble Cd, but not soil solid Cd. Saline soils are generally poor of bioavailable phosphorus and their soil structure are deteriorated. Phosphate-solubilizing bacteria (PSB) can dissolve sparingly soluble phosphate, and therefore, can promote bioavailable phosphorus supply in soils and improve soil structure. We also found that PSB can mobilize soil solid Cd when it dissolves sparingly soluble phosphate, and significantly increase soil Cd uptake by Suaeda salsa. However, until now the detail mechanism is not understood. The objectives of this program are to investigate the metabonomics and genomics of extracellular secretions of PSB; to explore the colonizing process and mechanism of PSB induced by signal molecules from root exudates; to survey the succession of colonized PSB and its impact on soil Cd mobility, and therefore to reveal their molecular mechanism. The results will benefit phyto-remediation for saline soils polluted with heavy metals.

许多土壤同时受到盐分和重金属污染的双重影响，利用盐分富集植物对它们同步提取修复，可实现“一举两得”。我们前期预研究发现，盐地碱蓬对钠和可溶态镉的富集系数很高，具有很好应用前景。但对土壤镉活化能力并不强，影响了其修复潜力的发挥。盐渍土有效磷含量低、土壤较板结，不宜施用无机肥，溶磷菌可将土壤难溶无机磷酸盐转为植物可吸收的可溶性磷，从而改善土壤有效磷供应和土壤结构。同时发现，高效溶磷菌还具有很强活化土壤镉的能力，接种到盐地碱蓬根际后显著提高了植物对土壤有效态镉的富集，但具体作用机制尚不清楚。因此，本项目拟研究活化土壤镉的胞外分泌物代谢组学和相应的功能基因组学特征，探讨根系分泌物中信号分子对溶磷菌定殖的诱导过程及诱导机制，阐明接种菌落的演替过程及其对土壤镉活化的影响，从菌株溶镉能力、根际定殖和演替三方面揭示溶磷菌对盐地碱蓬根际土壤镉活化的分子机制，为用促生菌强化植物修复盐渍土镉污染提供科学依据。

盐地碱蓬对钠和可溶态镉的富集系数很高，具有很好应用前景，但对土壤镉活化能力并不强，影响了其修复潜力的发挥。而溶磷菌可将土壤难溶无机磷酸盐转为植物可吸收的可溶性磷，同时具有很强活化土壤镉的能力，可作为强化碱蓬修复镉污染土壤的材料，但其活化土壤镉的具体作用机制以及与植物和土壤微生物的相互作用尚不清楚。在本项目研究中，我们从根际土中筛选出32株溶磷菌，分析了其溶磷溶镉能力。通过代谢组学对比研究了高/低溶镉菌株荧光假单胞菌和蜡状样芽胞杆菌的胞外分泌物，明确了溶磷菌通过胞外分泌有机酸和氨基酸是其活化土壤镉的关键因素，且具有周质氧化途径的溶磷菌可能具有更高的Cd溶解能力。同时，发现钾肥能显著激发高效溶磷菌菌株T29胞内丙酮酸激酶活性并增加丙酮酸含量，显著上调与阳离子转移、溶磷菌有机酸和氨基酸的生物合成相关的基因，强化T29对土壤Cd的活化。研究还揭示了溶磷菌与土壤中坡缕石结合态镉和风化煤结合态镉的相互作用机制。研究结果还表明，大肠埃希菌能利用碱蓬根系分泌物正常生长，并能稳定定植在碱蓬根系和根际土壤中。菌株T29和Y16分别在信号分子葡萄糖酸和D-葡萄糖酸诱导下可强化在植物根部定植。接种大肠埃希菌后明显促进了碱蓬根系的生长，提高了碱蓬的抗逆性和植物组织络合重金属的能力，引起了碱蓬根际土壤微生物群落结构的变化，导致根际土壤中与氧化磷酸化、氨基酸代谢、丙酮酸代谢、柠檬酸循环和脂质代谢过程有关的基因丰度明显上调，改变了碱蓬根系和根际土壤微生物代谢活动，导致8种有机酸显著上升。还识别出了与Cd活化相关的根际土壤微生物关键类群及其变化。一定的盐分条件下增加了大肠埃希菌氨基酸的分泌量，并促进大肠埃希菌在碱蓬根际的定植，从而强化碱蓬的生长和对镉的富集。这些结果为采用促生菌强化植物提取修复盐渍土镉污染提供了科学依据。