菌群在超积累景天科植物中的作用 | 微生物专题
发表时间：2022.01.20
发表期刊：Science of the Total Environment（IF 7.963）
研究背景：
重金属污染农田阻碍作物生长并危害人类健康。超富集植物能够在受污染的土壤中定殖并积累高浓度的重金属，通过超富集植物吸收重金属是一项低成本，可持续的土壤修复技术。根际菌群是在植物根际定殖的微生物群落，有助于优化提高植物吸收金属的能力。目前关于不同土壤条件下微生物组结构与植物吸收重金属间的联系还不清晰。本研究采用高通量基因测序技术分析了14个不同地点的景天植物以及周围土壤中菌群的组成和丰度，探究了景天属植物的植物微生物组与重金属吸收之间的关系，为未来的植物修复优化提供参考。
研究对象：景天科根际菌群
研究方法：16S rRNA基因测序
研究设计：
在中国亚热带季风气候区的14 个不同地点（6 个原矿、3 个自然地点和 5 个农田地点）采集了景天植物及其周围土壤。六个矿山位置（CA1、CA2、CA3、HP1、HP2 和 HP3）受到 Cd 和 Zn 的高度污染，而农田和自然位置（LL、FYH、LZ、ZM、JX1、JX2、 JX3 和 FYN）仅受到 Cd 的中度污染。植物和土壤样品在24小时内被带到实验室进行处理。在实验室中分离了芽 (St)、根 (Rt)、根际 (Rh) 和块状土壤 (Bk)，每种类型样本各有4个重复，总共产生 224 个样本（14 个地点×4 个类型样本×4 个重复）。Bk、Rh、Rt和St样品分别用于金属定量（室温保存）和 DNA 提取（-80°C保存）。
主要结果：
1. 土壤和植物的重金属浓度
6 个矿山（CA1、CA2、CA3、HP1、HP2 和 HP3）受到Cd和Zn的高度污染。自然地和农田（LL、FYH、LZ、ZM、JX1、JX2、JX3 和 FYN）受到Cd的中度污染，这8个地点的土壤中Zn浓度均低于 200 mg/kg，因此不认为是Zn污染。14 个地点的土壤 pH 值在 4.08-5.96 之间变化，而不同地点之间的有机质差异更大，从1.96%到11.84%不等（图1）。
图1：不同地点土壤概况
超富集植物（HE）根和芽中Cd和Zn的浓度显著高于非超富集植物（NHE），在矿区（CA1-3 和 HP1-3）生长的植物比在非矿区（农田和自然区域）生长的植物具有更高的金属浓度。当 HE植物在农田土壤（LL、FYH、LZ 和 ZM）中生长时，根茎金属浓度显着低于矿区（图 2）。当NHE植物在农田 (FYN) 生长时，它们在植物中表现出低金属浓度，与天然同源物相似。
图2：不同位置景天根和枝条中的金属浓度。A 和 C：根中的Cd和Zn 浓度；B和D：枝条中的Cd和Zn浓度
在不同生态型（HE和NHE）景天科植物中Cd和Zn的易位因子（TF）值存在差异，HE植物显示出比NHE植物更高的重金属易位潜力（图3B，D）。当HE生态型景天科植物在农田生长时，它们的Cd和Zn的生物蓄积因子（BF）值没有明显降低（图3A，C）。
图3 不同地点景天属植物的生物蓄积因子（BF）和易位因子（TF）。A和C对应于Cd和Zn 的BF值；B和D对应于TF值
细菌α多样性指数如图4所示，ASV和香农多样性从根际到根部和从根部到枝条的梯度不断减小。HE植物显示出不同位置之间更大的微生物多样性差异。相比之下，NHE植物中细菌群落的α多样性变化不太明显。
图4细菌丰度和香农指数
Sedum相关细菌的分类如图5所示，所有主要的细菌类群都在类水平上显示。通常，细菌组合由 Alphaproteobacteria (32%)、Actinobacteria (30%)、Betaproteobacteria (11%) 和 Gammaproteobacteria (9%) 组成。
图5 在类水平上优势细菌类群的相对丰度
为了探索和可视化复杂的微生物群落结构，作者进行了共现网络分析。网络在大块土壤、根际、根和茎以及三个来源地（CA、HP 和 JX）间是不同的（图6）。CA（位置 CA1-3 和 LL）和 HP（位置 HP1-3、FYH、LZ 和 ZM）植物来源的根和大块土壤组合形成了一个更密集、更复杂的网络，具有更多的节点和边缘。而对于JX植物（位置 JX1-3 和 FYN），根际表现出更密集和更复杂的网络。总体而言，正相关占观察到的潜在相互作用的70-85%，因此分类群倾向于共同发生（正相关，灰线）而不是共同排除（负相关，红线）。
图6不同植物来源不同部位的细菌共现网络，(A) CA、(B) HP 和 (C) JX
潜在的关键类群被确定为本地集线器、连接器和网络集线器。HE起源的植物相关类别中有 46 个关键类群，其中包括 24 个变形菌门、13 个放线菌门、1 个厚壁菌门、1 个拟杆菌门、1 个硝化螺菌门、1 个疣微菌门和 5 个未知细菌。对于具有JX起源的NH植物，鉴定出 32 个关键类群，其分类学多样性较低，其中 19 个变形菌门、11 个放线菌门、1 个酸杆菌门和 1 个硝化螺菌门。
Spearman分析评估潜在的关键类群与观察到的植物修复潜力之间的关系。四种分类群与Sedum plumbizincicola HE（CA 起源）植物中的 Cd/Zn超积累显著相关。根际土壤中的Solirubrobacter与开采植物中 Cd 和 Zn 的生物累积因子 (BF) 呈正相关。此外，芽中的假单胞菌与开采植物中镉和锌的易位因子（TF）呈正相关。在农田，新芽中的红球菌与TF-Cd呈正相关。在矿区， Spirosoma芽中含量与BF-Cd/Zn呈正相关。
图8不同植物来源不同部位所对应的ASV
五个分类群与Sedum alfredii HE（HP来源）中的Cd / Zn超积累显著相关。根际放线菌与矿区BF-Zn呈正相关，在农田与BF-Cd和TF-Cd呈正相关。根中的链霉菌和分枝杆菌与农田中的TF-Cd呈正相关。综上所述，景天中与Cd/Zn超富集相关的关键属有9个。它们属于以下三个门：放线菌门（5属）、变形菌门（3属）和拟杆菌门（1属）。值得注意的是放线菌中的放线菌和链霉菌与矿山和农田土壤中的重金属超积累有关。
图9 在CA (A)和HP (B)中每个植物相关区域的关键ASVs对植物修复的潜在生物学贡献
主要结论：
在这项研究中，作者全面描述了不同土壤中的重金属含量以及生态型景天科植物中的菌群的结构组成，并将植物调节潜力与微生物组关键类群相关联。本文数据结果表明，土壤-植物间的微生物组成主要由植物区室和位置决定。
另外本文确定了可以被景天科植物同化并在整个微生物群落结构中起关键作用的潜在微生物类群，这些微生物类群与景天对Cd 和 Zn 的吸收和转运呈正相关。进一步鉴定这些关键类群并阐明它们对植物修复潜力的因果影响，将有助于优化和定制微生物群落，从而在受多种金属污染的矿山和农田地区使用超富集植物进行土壤修复。
参考文献：
Wu Y, Santos SS, Vestergård M, et al. A field study reveals links between hyperaccumulating Sedum plants-associated bacterial communities and Cd/Zn uptake and translocation. Sci Total Environ. 2022;805:150400. doi:10.1016/j.scitotenv.2021.150400
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