农生智慧｜周培教授团队揭示植物内生菌强化龙葵富集镉的内稳态调节机制

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近日，上海交通大学农业与生物学院周培教授团队在生态环境领域期刊Journal of Hazardous Materials（中科院一区Top）在线发表了题为Plant growth promoting endophyte promotes cadmium accumulation in Solanum nigrum L. by regulating plant homeostasis的研究论文。研究从植物元素吸收、光合作用和内生细菌群落结构等方面解析了植物内生菌强化超积累植物龙葵富集镉的内稳态调节机制。

镉是毒性最强且分布最广泛的重金属之一，在土壤中易被作物吸收富集并通过食物链对人体健康造成风险。超积累植物可通过植物萃取方式将重金属移除土壤，是一种行之有效且生态环保的修复措施。但超积累植物普遍存在生长缓慢、生物量较低等问题。采用微生物强化植物萃取重金属可有效提高植物修复效率，在重金属污染土壤修复领域具有广泛的应用前景。其中，植物内生菌生活在相对稳定的植物内环境，与植物的联系更加紧密。然而，在内生菌与植物互作过程中，微生物如何强化植物富集重金属的调控过程和机理仍不清楚。

本研究在原生镉污染土壤中，将筛选获得的龙葵根内促生菌Pseudomonas sp. E3接种龙葵，发现E3菌株可定殖在龙葵根内，并显著提高龙葵对镉的萃取效率。通过元素分析、关键酶基因转录表达分析、16S rDNA高通量测序分析等，发现接种内生菌E3后龙葵重新分配了营养元素在根、茎、叶内的比例，尤其是对Fe²⁺、Mg²⁺吸收转运的调控，推测其与大量Cd²⁺“搭载”二价阳离子转运蛋白通道有关。同时，植物还通过提高叶片光合作用强度抵御大量镉富集，并刺激叶片分泌淀粉酶分解多余的淀粉，防止抗逆性功能物质淀粉的过度堆积，有效维持叶片镉积累和光合作用之间的平衡。此外，接种内生菌E3还重塑了龙葵各部位的内生细菌群落结构，尤其在植物根内富集了更高丰度的Pseudonocardiaceae和Halomonas，上述科属细菌有利于协助植物对营养元素及镉离子的吸收转运，并能提高宿主植物抗逆性、促进植物生长。该项研究从植物内部平衡调控层面深入解析了内生菌强化超积累植物萃取镉的作用机制，为微生物-植物联合修复重金属污染土壤提供了新思路。

上海交通大学农业与生物学院生态学博士生池耀威为论文第一作者，课题组周培教授、张丹副研究员为通讯作者，助理研究员初少华等参与了该研究。周培教授团队长期从事土壤生物修复方面的研究，在Journal of Hazardous Materials、Journal of Cleaner Production、Bioresource Technology等国际知名期刊发表多篇论文。相关研究得到国家重点研发计划课题和国家自然科学基金等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131866.

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上海交通大学农业与生物学院

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