Sci. Total Environ.丨镉胁迫下浮萍的生理响应、微生物多样性鉴定及内生细菌分离

论文内容

研究背景：

随着工业的不断发展，重金属污染问题越来越突出。受镉污染后会降低水质，不能直接用于工业和饮用。环境中的镉会影响植物正常生长以及各种生理机能，导致植物受损甚至死亡。镉还会在作物种子中积累，随着食物链的递进，毒性逐渐增加，最终被食物链顶端的人类摄入，影响人和动物的健康。镉污染的植物修复备受关注，但由于植物的生长缓慢、积累量低以及金属生物利用率低，植物修复的效率受到限制。因此，有必要研究植物修复过程中促进植物生长和重金属积累的各种因素。植物内生菌是健康植物在生命周期的某个时期甚至整个生命周期中广泛存在的微生物，并通过一系列物理化学相互作用与植物相互作用，建立了稳定而复杂的互利共生关系。有学者提议使用植物内生菌来辅助植物修复。内生菌可以通过产生金属螯合物，帮助植物激活抗氧化酶和降低脂质过氧化来提高植物对重金属的耐受性，并通过产生吲哚-3-乙酸等植物生长激素促进寄主植物生长，降低植物组织中的重金属含量，从而消除重金属的毒性作用。有研究表明，微生物群落是植物修复过程中的关键调节因子，镉胁迫通过改变植物内生菌的群落丰度来影响植物的微生物多样性。因此，研究镉胁迫对植物内生菌群落多样性的影响，识别潜在的优势种群具有重要意义。浮萍是一种水生漂浮植物，生长速度快，体积小，环境适应性强，已被证明是一种优良的镉超蓄积植物。此前已经研究了镉对浮萍植物本身的影响，但镉对浮萍内生菌群落结构的影响尚未见报道。本研究通过系统研究镉胁迫下浮萍的富集特性和生理响应，分析镉胁迫下浮萍内生细菌的多样性，确定优势种群，根据优势群体设置筛选条件，分离出耐镉性高的内生菌，促进寄主植物生长。并进一步研究镉对耐镉内生菌的影响，为该内生菌在环境修复中的应用提供新的见解。

研究内容：

本研究系统分析了不同镉浓度和持续时长条件下，浮萍的生理响应、富集特性、内生菌群落多样性；对浮萍的内生细菌进行了分离并鉴定，筛选了对镉有耐受性的内生细菌；研究了内生菌再植对浮萍生长指数的影响。

结果表明，浮萍中的过氧化物酶和过氧化氢酶活性随镉胁迫持续时间的增加而降低，超氧化物歧化酶活性先升高后降低。氧化物酶和过氧化氢酶活性和氧离子浓度随着镉浓度的增加而增加。浮萍中丙二醛含量和镉积累量随浓度和时间的增加而增加。经高通量测序，发现浮萍内生菌分属于488个种，优势种群为Proteobacteria、Firmicutes和Actinobacteria。从浮萍中分离出的Y11芽孢杆菌是一种可耐受高浓度镉的菌株，能够显著促进浮萍的生长。

研究结论：

在本研究中，高镉浓度会显著抑制浮萍生长，并会导致叶绿素含量降低过氧化物酶活性和过氧化氢酶活性随胁迫时间的延长而降低，超氧化物歧化酶活性先升高后降低，丙二醛含量升高。在胁迫浓度方面，浓度越高(0.1 ~ 5.0 mg/L Cd)，过氧化物酶和丙二醛含量越高，氧离子积累越多，对菌株L. minor 0014的危害越严重。此外，较低的镉浓度(0.1 ~ 0.5 mg/L)对菌株L. minor 0014的生长抑制作用不大，高浓度(0.7 ~ 5.0 mg/L)对菌株L. minor 0014的生长抑制作用较强。随着镉胁迫时间和浓度的增加，浮萍中镉的含量增加到264.6 mg/kg，而镉的去除率提高到70 - 90%。0.1 ~ 1.0 mg/L 镉处理3天，菌株L. minor 0014对镉的去除率为60 ~ 68%，7天后去除率达到> 70%，说明菌株L. minor 0014对低浓度镉也有很好的去除效果。通过对浮萍内生细菌的高通量测序，共鉴定出488个种，优势种群为Proteobacteria、Firmicutes和Actinobacteria。镉处理对浮萍微生物群落多样性也有影响。分离得到22株内生细菌，其中4株可耐受80 mg/L 的镉。分离得到的耐镉内生菌株Paenibacillus sp. Y11显著提高了浮萍生物量。研究结果表明，内生菌的定殖可以帮助植物有效地响应镉胁迫，为未来植物-微生物联合修复重金属污染奠定基础。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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