东北林业大学研究揭示丛枝菌根真菌如何削弱镉的迁移
东北林业大学研究揭示丛枝菌根真菌如何削弱镉的迁移
丛枝菌根真菌（AMF）是广泛存在于自然界中且可以和90%以上陆生植物共生的根际微生物，即使在高度污染的土壤中也可以建立共生关系，具有平衡调控根际环境的重要作用。东北林业大学冯富娟团队最新研究发现，AMF可以通过调节根际微生物群落和代谢物来削弱镉的迁移，为重金属污染土壤的修复提供了新的思路和方法。
研究背景
镉污染是全球性环境问题，其较长的半衰期导致其在土壤中难以降解，极易被作物吸收，威胁人类健康。据统计，农用土壤重金属镉污染面积逐年上升，已被列为全球性意义危害化学物质之首。而丛枝菌根真菌（AMF）作为广泛存在于自然界中的根际微生物，具有平衡调控根际环境的重要作用。研究团队前期发现，接种 AMF 后镉敏感植物紫花苜蓿的抗性大大提高，还能有效降低Cd从土壤中向地上器官的转运和富集。
研究方法
研究团队以摩西球囊霉（Glomus mosseae）和紫花苜蓿为共生体，采用团队自主研发的“根箱-Cd2+膜印迹联合测定法”，原位分析根际微域环境Cd化学态及有效性，比较AMF接种对镉胁迫下根代谢组学、根际土壤理化性质及微生物特征的变化。
主要发现
1. 根际镉吸收热点的消失及镉有效态的变化
研究发现，接种AMF后，根际Cd热点区域百分比明显减少，Cd2+荧光定位扫描结果也显示AMCd像素位点频数分布中位数小于Cd处理组，且大于4mg/kg的像素位点占比显著低于Cd处理组。进一步分析发现，AMCd组可交换态Cd (强迁移性) 的含量明显低于Cd处理组，但有机结合态Cd (弱迁移性) 显著上升，这证明了AMF可以促使Cd2+移动能力的下降。
图1. Cd和AMCd处理下Cd在根际的迁移和化学状态
2. 根际土壤细菌群落的变化
研究发现，AMF可以显著改变根际土壤细菌群落结构。与对照组相比，Cd处理组Proteobacteria和Actinobacteriota显著下降，而Firmicutes、Patescibacteria、Bacteroidetes和Actinobacteriota显著上调。AMCd处理组中Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes显著提高。稀疏曲线表明，随着测序数量的增加，观测样本的Shannon、OTUs、Simpson与Chao1指数趋于平坦，说明结果其结果可信度高。
图4. 以“Cd-土壤-细菌”为主轴，研究了根际土壤与细菌的相互作用
3. AMF招募能够钝化重金属的细菌
研究发现，AMF可以显著改变根际土壤细菌群落结构，其中一些细菌具有重金属去除能力。基于种水平，对AMCd处理组中增加的有重金属运输(污染物去除) 功能的微生物进行筛选，并与Cd迁移特征和化学态相关性模型进行预测，发现约139种细菌可以与根际Cd的迁移系数成负相关，经注释分属于Dyella、LWQ8、Ruminococcus、Reyranella、Allorhizobium、Pseudolabrys、Novosphingobium、Flavisolibacter等101个属，其中49个属的丰度发生显著提高。
4. 根代谢物的变化及其对根际微生态的影响
研究发现，根代谢物质的组成在不同处理下表现显著差异，其中Cd vs AMCd处理组差异最大 (包含301种差异代谢物)，AM vs AMCd次之 (包含235种差异代谢物)。基于Bray Curtis和ANOSIM差异分析可知，AMF是造成代谢物质差异的主要因素。研究还发现，黄酮类代谢物是影响群落变化与keystone的关键枢纽，而AMF正是通过提高黄酮分泌量改变细菌群落结构。
图5. 根代谢组和根际微生物组的相互作用
5. AMF通过对代谢-微生物-土壤的调节使根际镉钝化
研究采用Composite结构方程模型（SEM）拟合上述关系，结果发现接种AMF后，根系分泌物中黄酮类物质是关键的信号，采取3种方式降低Cd的迁移能力，包括“代谢物-微生物-土壤-Cd”、“代谢物-土壤-Cd”的间接作用和“代谢物-Cd”的直接作用模式。方差分解分析（VPA）对结构方程的分析进行了很好的补充，三者共同的叠加作用拥有降低Cd迁移的最大解释率 (42.4%)，充分体现了三者之间复杂交互作用对缓解镉毒的重要性。
图6. AMF-苜蓿共生体对镉的钝化过程
结论与展望
研究结果表明，AMF可以通过调节根际微生物群落和代谢物来削弱镉的迁移，为重金属污染土壤的修复提供了新的思路和方法。研究团队发现，AMF可以显著改变根际土壤细菌群落结构，其中一些细菌具有重金属去除能力。同时，AMF还可以通过调节根系分泌物中的黄酮类物质来影响微生物群落结构，从而进一步影响Cd的迁移。这些发现为重金属污染土壤的生物修复提供了新的思路和方法。
本文原文来自iMeta期刊，由东北林业大学冯富娟团队完成，第一作者为王洪瑞博士研究生。