根际细菌、古菌、真菌是如何影响植物的金属超积累 | 微生物专题

发表时间：2021.8.30

发表期刊：Science of the Total Environment（IF 7.963）

关键词：金属积累、微生物多样性、植物生长促进细菌、Pseudometallophyte、土壤金属污染、微量金属元素（Trace metal(loid) element，TME）

知识点

土壤微量金属元素（TME）污染是全球关注的问题。这引起了人们对耐TME植物的兴趣，其中一些植物可以在地上组织中超量积累TME，将有可能成为治理这些污染土壤的一种手段。鼠耳芥（Arabidopsis halleri）可以在受污染的土壤中耐受高浓度的TME，也可以在自然条件下未受污染的土壤上茁壮成长，因而是研究TME耐受的模式物种。同时，与根际相关的微生物，包括细菌、古菌和真菌，对它们的宿主非常重要。有证据表明，它们可以增强植物积累TME的能力，从而增加地上部组织中TME的含量。

研究背景：

目前我们对影响植物耐TME的驱动因素了解有限。比如，同一个耐TME植物品种的不同基因型可能对金属超积累的能力就存在不同；又根际微生物群是如何影响植物对金属的超积累；而不同的土壤类型（金属污染和未受金属污染）也可能会影响植物对金属的超积累。为此，本研究对植物-土壤-微生物在TME超积累中的相互关系进行了研究。

研究对象：根际、土壤微生物

研究方法：16S测序 + ITS测序

研究设计：

选择4个地点采集样本，2个地点是TME污染的土壤（M），分别为M_PL22和M_PL27。2个地点是未受污染的土壤（NM），NM_PL35和NM_PL14。在每个M和NM地点收集受鼠耳芥根际影响的土壤和周围背景土壤，各3个重复。通过16S测序和ITS测序对根际土壤和背景土壤中的微生物，包括细菌、古菌、真菌进行多样性分析，并结合植物和土壤的化学分析，共同探讨植物-土壤-微生物在TME超积累中的相互关系。

图1 研究设计

根际土壤采集：首先切除植株的地上部分，然后挖掘0~15 cm深的土壤，露出植物的根。用无菌器械切除根，放入无菌塑料袋中摇晃，分离并收集附着在根部的约50g土壤进行DNA分析。

背景土壤采集：标记出3个5×5 m的样方，这些样方中没有鼠耳芥植被。对于每个样方，在没有可见植物根的10-15 cm深处采集5个约50 g样本（每个角落和中心各一个）并混合。

主要结果：

1. 植物锌和镉超积累的特征

首先作者考察了4个地点鼠耳芥中锌和镉超积累的差异。无论其土壤来源如何，在芽积累的锌和镉明显多于在根组织中积累的锌和镉。所有植物在M地点的芽中都达到了异常高的锌和镉浓度，而在NM地点只有锌超积累，这与此前的报道一致。NM_PL14植物积累了非常高的锌浓度，与M地点发现的水平相匹配，然而NM_PL14 地点的土壤锌浓度却比M地点低约80倍。与NM植物相比，M植物的锌和镉转位因子较高，但只有NM群体的镉转位因子与M_PL27群体的镉转位因子差异显著。这表明土壤TME浓度不是鼠耳芥锌超积累的主要驱动因素。

2. 微生物群落多样性和结构

众所周知，TME浓度升高会影响土壤微生物群落。当根际和背景土壤一起分析时，细菌/古生菌和真菌的丰富度在四个研究地点都没有显著差异（图2A）。相比之下，群落排序分析表明，地点类型（M与NM）和位置（NM_PL14、NM_PL35、M_PL22、M_PL27）分别解释了细菌/古菌群落组成变异的26%和18%，以及真菌群落组成变异的18%和10%（图2B）。这些群落组成变异可能是由于金属耐受性微生物种群取代了对金属敏感的微生物。

图2 A）在根际和背景土壤的四个研究地点观察到的细菌/古生菌和真菌扩增子序列变异（ASV）或类型的数量 B）四个地点微生物群落结构的NMDS排序图

3. 鉴别根际和背景土壤样本的关键微生物类群

使用LEfSe和SIMPER分析，鉴定区分M和NM土壤的微生物群落以及它们各自的根际和背景土壤的群落。结果显示M地点的独特细菌/古生菌ASV是NM地点的四倍，真菌ASV的数量几乎是NM地点的两倍。作者又分别对M和NM两个地点的根际和背景土壤群落进行了分析。分析表明，定义根际群落的微生物类群数量高于背景土壤群落。

使用LEfSe分析发现，M地点的优势根际细菌/古菌类群包括：Betaproteobacteriales，Burkholderiaceae，Gammaproteobacteria，Nitrosomonadaceae，Pseudonocardiaceae，Pseudonocardiales，和IS-44。相反地，NM地点的优势根际菌群只被划分到细菌界水平。对于M地点背景土壤群落，优势类群属于Acidobacteria和Actinobacteria。而大多数具有代表性的NM地点的背景土壤群落属于Thaumarchaeota。与LEfSe分析一样，SIMPER分析为M土壤鉴定出了比NM土壤更多的分类群，来区分根际土壤和背景土壤。

4. 与锌、镉过量积累相关的非生物和生物变量

为进一步研究锌、镉超积累的重要因素，本研究测定了95个非生物和生物参数。结果表明，锌的超积累主要受生物变量控制，与锌的芽积累和锌的转运因子有相似的关系。具体地，锌超积累与真菌丰富度和多样性有最强的正相关关系。其次是铵态氮、总有机碳和全氮等非生物因子。锌超积累的最强负相关与硝态氮和一些细菌类群有关。与锌相比，镉的超积累主要由非生物因素解释，不同的因素与镉的芽积累或镉的转运因子有更强的相关性（图3）。

图3 通过PLS回归分析鉴定锌、镉超积累的生物和非生物驱动因素

5. 与锌、镉超积累相关的关键微生物类群

PLS分析鉴定出根际中的29个微生物类群（24个细菌和5个真菌）是鼠耳芥芽中锌、镉超量积累的重要解释变量。在这29个分类群中，绝大多数分布在M地点鼠耳芥的根际（图4）。在两个M地点和一个NM地点（NM_PL14）都发现了10个细菌分类群，而在NM_PL35地点上没有。细菌分类属于5个门，包括 Acidobacteria，Actinobacteria，Bacteroidetes，Nitrospirae，和Proteobacteria；5个真菌类群来自Ascomycota。

图4 热图显示污染和未污染的鼠耳芥根际微生物类群的相对丰度

主要结论：

本研究为生长在M和NM地点的鼠耳芥土壤微生物种群与锌、镉超富集特性之间的关系提供了新的见解。金属污染会显著改变土壤细菌/古生菌和真菌群落的结构，并影响鼠耳芥根际招募的独特菌群的数量。此外，结果也表明，锌的超积累主要由生物变量决定，而镉超积累的变异性主要受非生物因素的影响。

参考文献：

Kushwaha P, Neilson JW, Maier RM, et al. Soil microbial community and abiotic soil properties influence Zn and Cd hyperaccumulation differently in Arabidopsis halleri. Sci Total Environ. 2022 Jan 10;803:150006.

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