2023年6月28日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所朱愛國(guó)研究員團(tuán)隊(duì)陳坤梅老師在Chemosphere雜志（IF=8.8）發(fā)表題為“Systematic evaluation of ramie? (Boehmeria nivea L.) for phytoremediation of cadmium contaminated soil and the mechanism of microbial regulation”的研究論文，該研究研發(fā)提出了苧麻耐鎘種質(zhì)“水培-盆栽”快速篩選方法，并從中選取優(yōu)良品種進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)合組學(xué)測(cè)序，系統(tǒng)評(píng)價(jià)并揭示了苧麻修復(fù)鎘污染土壤的修復(fù)模式及微生物調(diào)控機(jī)制。為重金屬污染植物修復(fù)研究領(lǐng)域提供了技術(shù)路線和實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

發(fā)表期刊：Chemosphere

影響因子：8.8

涉及的服務(wù)產(chǎn)品：宏基因組測(cè)序

苧麻是重金屬修復(fù)的理想作物，挖掘優(yōu)良苧麻種質(zhì)資源是苧麻修復(fù)重金屬污染的重要環(huán)節(jié)。苧麻是多年生作物，需要種植一年以上才能測(cè)定其農(nóng)藝性狀以及重金屬耐受性和富集能力。在田間條件下進(jìn)行大量的種質(zhì)資源篩選，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，給優(yōu)良苧麻種質(zhì)資源的篩選帶來困難。另外苧麻也是一種高蛋白飼料，利用苧麻修復(fù)重金屬污染土壤其飼養(yǎng)價(jià)值和修復(fù)后的飼用安全性仍然未知。根際微生物在重金屬修復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，可通過刺激植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育來影響植物對(duì)重金屬的吸收。研究表明，不同苧麻品種根際微生物群落的結(jié)構(gòu)和豐度存在差異。然而，在田間條件下，鎘脅迫是否會(huì)影響不同苧麻品種根際微生物的差異，以及哪些優(yōu)勢(shì)菌與重金屬富集有關(guān)等問題目前尚不清楚?；诖耍搱F(tuán)隊(duì)開展了本研究的系列工作，旨在探索一種快速高效的篩選體系，快速篩選并獲得鎘高耐性及鎘高富集的苧麻品種，然后利用這些品種進(jìn)行田間修復(fù)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行修復(fù)后苧麻再利用評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，從而系統(tǒng)、全面地研究苧麻在鎘污染土壤修復(fù)中的綜合效益，為重金屬污染植物修復(fù)研究領(lǐng)域提供參考。

本研究創(chuàng)新研發(fā)了苧麻 “水培-盆栽”快速篩選系統(tǒng)，利用196份核心種質(zhì)資源快速有效鑒定其耐鎘性和富鎘能力，然后從中選取兩個(gè)優(yōu)良品種ZZ2和ZSZ1在Cd污染大田進(jìn)行了為期4年的田間試驗(yàn)，最后結(jié)合宏基因組技術(shù)深入研究了苧麻的修復(fù)模式、修復(fù)后回用評(píng)價(jià)以及微生物調(diào)控機(jī)制。研究結(jié)果表明，苧麻采用“吸收-活化土壤Cd-遷移-吸收”的循環(huán)模式對(duì)Cd污染田進(jìn)行修復(fù)，鑒定出假諾卡氏菌屬等10個(gè)優(yōu)勢(shì)屬以及根際土壤關(guān)鍵功能基因（mdtC、mdtB、mdtB/yegN、actR、rpoS、ABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因）參與激活根際土壤Cd，促進(jìn)苧麻富集Cd。

Result1??富鎘苧麻種質(zhì)資源的篩選

Result1.1 水培篩選試驗(yàn)

為了快速篩選鎘高耐性和鎘高富集的苧麻品種，本研究通過水培篩選實(shí)驗(yàn)對(duì)196份苧麻種質(zhì)資源的鎘吸收特性進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，所有苧麻品種的Cd含量主要分布在根部，其次是莖，葉中最低。各品種的富集系數(shù)差異較大，范圍為77.7～4761。其中，23個(gè)品種的富集系數(shù)超過1000，1個(gè)品種的富集系數(shù)超過4000。該團(tuán)隊(duì)還利用不同器官中Cd含量值、轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)進(jìn)行了隸屬函數(shù)（MF）和主成分分析（PCA），發(fā)現(xiàn)196個(gè)苧麻品種主要可分為7個(gè)大簇。綜合考慮聚類結(jié)果和Cd脅迫下的生長(zhǎng)情況，篩選出40個(gè)品種作為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的候選品種。

圖1.1? 水培篩選試驗(yàn)結(jié)果

Result1.2 盆栽篩選試驗(yàn)

為了進(jìn)一步篩選后續(xù)試驗(yàn)的候選品種，本研究將水培篩選試驗(yàn)確定的40個(gè)候選品種用于鎘脅迫下的盆栽篩選試驗(yàn)，分析了鎘處理75d（2016年）和150d（2017年）后地上部分的鎘含量和產(chǎn)量相關(guān)性狀（株高、莖厚、葉數(shù)、分株數(shù)、鮮重和干重）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩年間株高同時(shí)表現(xiàn)良好的品種有ZZ2、1400、1367、ZSZ1等13個(gè)品種，被評(píng)為“優(yōu)良品種”。其中，有38個(gè)品種的鮮重和干重變異系數(shù)在23%~29.93%之間，生物量差異較大。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步使用MF和PCA的值進(jìn)行聚類分析。將38個(gè)品種分為5組，其中I、II、III組被認(rèn)為是鎘高耐受組，IV、V組被認(rèn)為為鎘低耐受組。聚類到組I中的品種（ID:544）被視為最具耐受性的品種。最終，綜合聚類結(jié)果、株型和各品種在鎘脅迫下的生長(zhǎng)狀況，選擇II組的ZZ2和III組的ZSZ1作為后續(xù)試驗(yàn)的候選品種。

圖1.2? 鎘處理下的盆栽篩選試驗(yàn)結(jié)果

Result2 ?苧麻對(duì)鎘污染農(nóng)田的修復(fù)與評(píng)價(jià)

Result2.1 不同季節(jié)不同苧麻組織中Cd的富集特征及不同金屬活化劑對(duì)苧麻中Cd富集的影響

本研究利用先前實(shí)驗(yàn)鑒定出的兩個(gè)苧麻品種ZZ2和ZSZ1進(jìn)行了鎘污染農(nóng)田的修復(fù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，種植在田間的苧麻植物生長(zhǎng)良好，表明在田間條件下，ZZ2和ZSZ1對(duì)Cd的耐受性很高。在2017年，ZZ2和ZSZ1各組織Cd含量的變化趨勢(shì)相似，第一季和第二季為纖維>莖>葉，第三季為纖維>莖>葉>花。在2018年，ZZ2的單株總鎘積累量是顯著高于ZSZ1的。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)經(jīng)過苧麻修復(fù)后，試驗(yàn)田土壤Cd含量下降，并且經(jīng)過22個(gè)月的修復(fù)，兩個(gè)品種根際土壤Cd含量均低于非根際土壤。

為了分析不同金屬活化劑對(duì)苧麻中 Cd 富集的影響。本研究在田間條件下將草酸 (OXA)、EDTA 和檸檬酸 (CA) 施用于苧麻根部，發(fā)現(xiàn)不同濃度的OXA和EDTA處理均顯著增加了ZSZ1的株高、鮮重和干重，其中，20 mmol/kg的OXA和10 mmol/kg?EDTA處理的增加效果最好。還發(fā)現(xiàn)，每種濃度的OXA、EDTA和CA處理均提高了ZSZ1莖中的Cd含量，其中，10 mmol/kg的OXA，10 mmol/kg?的EDTA和3 mmol/kg?的CA處理增加了纖維和葉片中的Cd含量，表明低濃度的金屬活化劑處理有利于Cd向苧麻葉片和纖維的運(yùn)輸。

圖2.1? 田間條件下苧麻修復(fù)的結(jié)果

Result2.2? 苧麻修復(fù)后的再利用評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)鎘污染大田恢復(fù)后苧麻的再利用價(jià)值，本研究對(duì)苧麻嫩莖葉的飼用營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、纖維品質(zhì)和纖維產(chǎn)量進(jìn)行了分析。其中，纖維的品質(zhì)和產(chǎn)量是在 2018 年第一和第二個(gè)收獲季測(cè)定的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ZZ2和ZSZ1的纖維細(xì)度修復(fù)后仍保持較高水平，兩個(gè)檢測(cè)季節(jié)ZSZ1的莖粗和皮厚均略高于ZZ2，但不同的是，ZZ2的分株數(shù)和株高顯著高于ZSZ1，檢測(cè)的兩個(gè)季節(jié)，ZZ2的生物量鮮重和干重均大于ZSZ1，相應(yīng)地，纖維的鮮重和干重也高于ZSZ1。這些數(shù)據(jù)表明，對(duì)鎘污染大田修復(fù)后，ZZ2 的纖維品質(zhì)和產(chǎn)量均優(yōu)于 ZSZ1。同時(shí)，為研究修復(fù)后苧麻的飼用品質(zhì)，該團(tuán)隊(duì)還測(cè)定了2016年和2017年苧麻株高70~100 cm時(shí)嫩莖葉的粗蛋白、粗脂肪、粗纖維和灰分。兩年數(shù)據(jù)顯示，ZSZ1的粗蛋白略高于ZZ2，而粗脂肪、粗纖維和灰分兩品種差異不大。綜合來看，這些數(shù)據(jù)表明了對(duì)各污染大田修復(fù)后，苧麻的飼用價(jià)值仍保持較高水平。

圖2.2 鎘污染大田恢復(fù)后苧麻植物的再利用評(píng)價(jià)

Result3 ?苧麻根際微生物對(duì)鎘污染大田修復(fù)的調(diào)控機(jī)制分析

Result3.1? 鎘脅迫下不同品種苧麻根際微生物群落組成

為研究鎘污染大田土壤微生物對(duì)苧麻Cd富集的影響，本研究對(duì)苧麻根際土壤和非根際土壤（CK）的微生物群落和豐度進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，兩個(gè)品種（ZSZ1和ZZ2）的根際和非根際微生物的種群組成不同。在屬水平上，兩個(gè)品種的根際微生物有顯著差異。ZSZ1有8個(gè)屬的豐度顯著高于ZZ2，而Desulfobulbus、Metromicrobium等22個(gè)屬的豐度在ZZ2中顯著高于ZSZ1。Lefse分析結(jié)果顯示，與ZZ2相比，ZSZ1的前5個(gè)優(yōu)勢(shì)屬為Pseudonocardiales、Pseudonocardiaceae、Sphingomonadales、Sphingomonas和Sphingomonadacea, ZZ2的前5個(gè)優(yōu)勢(shì)屬為Terriglobus、Granulicella、Gemmatimonas、Granulicella_mallensis和Gemmatimonas。

同時(shí)，為了研究土壤微生物對(duì)苧麻修復(fù)Cd污染土壤的影響，該團(tuán)隊(duì)還采用Cd含量、生物量等檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在ZSZ1中，古生菌與地上部鮮重、纖維鮮重、纖維干重、分株數(shù)等產(chǎn)量性狀呈顯著負(fù)相關(guān)，真核生物、真菌、后生動(dòng)物、病原菌、病毒等與地上部鮮重、纖維干重呈顯著正相關(guān)。在ZZ2中，古菌、真核生物、后生動(dòng)物、病毒與單纖維強(qiáng)力呈顯著負(fù)相關(guān)，而noRank與單纖維強(qiáng)力呈顯著正相關(guān)。

圖3.1 鎘脅迫下不同品種苧麻根際微生物群落組成

Result3.2? 苧麻根際微生物基因功能分析

本研究通過比較eggNOG和CAZy數(shù)據(jù)庫(kù)，分析基因在根際土壤微生物中的作用。結(jié)果顯示， ABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(COG0444)、延胡索酸水解酶（COG0179）和泛醌生物合成相關(guān)基因在ZSZ1根際微生物中特異識(shí)別，而糖苷水解酶、糖基轉(zhuǎn)移酶和碳水化合物結(jié)合模塊在ZSZ1和ZZ2根際微生物中普遍存在。 同時(shí)，BacMet數(shù)據(jù)庫(kù)被用于鑒定重金屬富集相關(guān)基因。結(jié)果顯示，Cd、砷、鉻和其他物質(zhì)被鑒定出來。其中 29 個(gè)基因與 Cd 耐受性或 Cd 富集相關(guān)。進(jìn)一步分析了它們的表達(dá)， 發(fā)現(xiàn)ZSZ1中維持氫離子平衡的兩個(gè)基因actR和rpoS的表達(dá)顯著低于ZZ2。

圖3.2? ZZ2(組1)和ZSZ1(組2)根際土壤微生物基因功能分析

本研究創(chuàng)新性地建立了快速有效的耐Cd苧麻種質(zhì)篩選體系，篩選獲得了耐Cd能力強(qiáng)、Cd富集能力高的優(yōu)良種質(zhì)，并選用典型種質(zhì)進(jìn)行了Cd污染田間修復(fù)評(píng)價(jià)。證實(shí)了使用金屬活化劑和根際微生物可以有效促進(jìn)苧麻的修復(fù)效率，同時(shí)發(fā)現(xiàn)苧麻不僅可以修復(fù)Cd污染土壤，纖維還可以重復(fù)利用，創(chuàng)造了良好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。該研究為重金屬污染植物修復(fù)研究領(lǐng)域提供了技術(shù)路線和實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

Chen, Kunmei, et al.? Systematic evaluation of ramie (Boehmeria nivea L.) for phytoremediation of cadmium contaminated soil and the mechanism of microbial regulation.? Chemosphere, vol. 337 139298. 28 Jun. 2023, doi:10.1016/j.chemosphere.2023.139298.

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