内生真菌FXZ2强化小花南芥超富集镉锌的效应和机制研究

Endophytic fungi, which colonize inside the plant and show great influence on plant’s growth and development, are considered as a novel and prospective approach in microbe-assisted phytoremediation. However, the practical application of the technology was seriously hindered by the lack of understanding about the mechanism related to microbe-assisted phytoremediation. Our previous studies have demonstrated that FXZ2 (Epicoccum nigrum), an endophytic fungus from Arabis alpina, a Pb-Zn-hyperaccumulator, can significantly improve A. alpina’s growth and enhances its Cd/Zn accumulation under multi-heavy metal stress. Therefore, in the present study, we will conduct a series of studies to: (1) understand the possible effect of FXZ2 on A. alpina’s growth and Cd/Zn accumulation under different dosages of Cd/Zn stress; (2) find out the chemical speciation distribution of Cd and Zn in the rhizospheric soil of A. alpina after the inoculation of FXZ2; (3) discover the molecular mechanism of enhancing Cd/Zn accumulation in A. alpine by FXZ2 through comparing the differentially expressed genes and their functions obtained by transcriptomics analysis. The results will not only throw the light on understanding the mechanism of microbe-assisted phytoremediation more completely, but will also provide the practical experience on the application of microbe-assisted phytoremediation.

内生真菌作为定殖于植物体内、直接影响植物生长发育和代谢的微生物，在植物-微生物联合修复中展现出巨大应用前景。然而，对其机制认知的不足严重阻碍了该技术的进一步发展。我们前期研究表明，来自超富集植物小花南芥的内生真菌FXZ2，在复合重金属胁迫条件下能显著促进宿主植物的生长、提高其镉锌富集能力。因此，本项目拟在此基础上，通过盆栽实验，(1)探明在不同浓度镉锌胁迫下，接种FXZ2对小花南芥生长及镉锌富集的影响；(2)弄清接种FXZ2后，小花南芥根际土壤中镉锌的赋存形态分布特征；(3)通过对不同浓度镉锌胁迫下接种和不接种FXZ2的小花南芥转录组文库构建、测序及生物信息学分析，获得差异表达基因及其功能，揭示FXZ2强化小花南芥镉锌超富集的分子机制。研究结果不仅对进一步阐明植物-微生物联合修复机制具有重要理论意义，同时还对植物-微生物联合修复技术的开发具有重要实践指导价值。

内生真菌作为定殖于植物体内、直接影响植物生长发育和代谢的微生物，在植物-微生物联合修复中展现出巨大应用前景。为探索种子内生菌FXZ2对土荆芥Zn/Cd耐性和积累的影响，本项目在不同Zn（500、1000、1500mg•kg-1）和Cd（5、15、30、60mg•kg-1）胁迫下进行了一系列试验。结果表明，接种FXZ2显著促进了土荆芥的生长，增加其叶绿素和谷胱甘肽含量，显著降低MDA含量，改变根际土壤中Zn/Cd的化学形态，从而影响其在宿主植物中的吸收和累积。其中在500和1000mg•kg-1Zn胁迫下，与未接种植株（E-）相比，接种FXZ2（E+）降低了根际土壤中Zn的可交换态和碳酸盐结合态（F1+F2），相应地，E+地上部分的Zn含量也减少了。而在30和60mg•kg-1 Cd胁迫下，E+根际土壤中Cd的F1+F2组分增加，其地上部分Cd含量也增加了。对E+与E-在0和60mg•kg-1 Cd胁迫下的转录组学比较分析表明，种子内生菌主要影响了宿主植物的次生代谢产物的生物合成、植物激素信号转导、苯丙烷生物合成、苯丙烷代谢、花青素生物合成、ABC转运蛋白等代谢途径。其中在60 mg kg-1 Cd胁迫下，E+与E-差异基因在ABC转运蛋白通路显著富集，ABC转运蛋白能够螯合重金属离子从而减轻其毒性，说明FXZ2能通过诱导宿主植物ABC转运蛋白高表达从而增强其重金属抗性。此外，FXZ2可外源分泌植物激素IAA、GA和JA。在不同浓度Cd胁迫下，FXZ2的代谢产物能够促进土荆芥种子萌发，增加宿主植物的产种量。本研究表明种子内生菌FXZ2可以通过改变宿主植物根际土壤中Zn/Cd的化学形态、外源产生植物激素、降低氧化损伤、诱导重金属耐性基因高表达等途径，促进宿主植物生长，增强其重金属抗性，改变重金属的累积能力。