JIPB | 东北农业大学农学院韩雪/张丽莉团队揭示图画大洋芽孢杆菌通过重塑紫苏根际微生物群落缓解镉胁迫的新机制

随着社会经济发展和生活水平提高, 公众对天然绿色功能性植物的关注日益增强。紫苏 (Perilla frutescens (L.) Britt.) 兼具药用与食用价值, 已成为当前研究热点。然而, 紫苏幼苗对镉胁迫极为敏感, 因此阐明其耐镉机制具有重要意义。

镉 (Cd) 是一种毒性强、迁移性高的重金属污染物, 在工业化与城市化进程中通过采矿、冶炼、电池制造、废弃物排放等途径持续进入土壤环境, 被国际癌症研究机构 (IARC) 列为Ⅰ类致癌物, 严重威胁农产品安全与生态系统健康。在此背景下, 揭示植物耐镉机制并发展高效生物修复策略, 已成为农业可持续发展与生态保护领域的核心课题。近年来, 研究视角逐渐从植物自身生理生化响应拓展至“植物‒根际微生物”互作体系, 凸显了微生物在提升植物重金属耐性中的关键作用。

近日, 东北农业大学农学院韩雪/张丽莉教授团队与多家单位合作, 在JIPB在线发表了题为“Root exudate-microbe interactions mediated by Oceanobacillus picturae and stachyose promote cadmium tolerance in Perilla frutescens”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70183), 在探究接种图画大洋芽孢杆菌 (Oceanobacillus picturae) 如何缓解紫苏镉胁迫方面取得新进展。该研究揭示了O. picturae通过重塑根系分泌物组成、诱导水苏糖分泌, 进而招募耐镉促生微生物, 从而增强紫苏对镉胁迫的耐受性。

该研究通过多组学分析发现, 碳水化合物是调控植物‒微生物互作的关键介质, 在根际微生物群落招募中发挥核心作用。与单一镉处理相比, 接种 O. picturae显著提高了紫苏组织内的尿苷和水苏糖含量, 而根系分泌物中仅水苏糖含量显著上升 (图1)。

图1 O.picturae调控紫苏镉胁迫下根系代谢重编程与关键代谢途径有益微生物招募

为解析其调控机制, 该研究进行了趋化实验, 发现Azospirillum brasilense、Acinetobacter pittii和Thauera spp.对10 mM水苏糖表现出显著且剂量依赖性的趋化响应, 而对尿苷的趋化响应微弱 (图2A-D)。盆栽验证进一步证实, A. brasilense、A. pittii和Thauera spp.均能缓解镉胁迫对紫苏的影响 (图2E)。其中, A. brasilense效果最突出, 能促进根系致密生长, 显著逆转镉胁迫引起的损伤, 使根长、株高、茎粗、干重和鲜重恢复至对照水平。A. pittii与Thauera spp.的缓解效果相对较弱, 修复能力有限, 但A. pittii能使紫苏根系更为发达。基于以上结果, 该研究选取水苏糖与效果较好的A. brasilense和A. pittii联合施用, 发现水苏糖的添加显著增强了微生物活性, 并进一步提升了紫苏的镉耐受性。

该研究深化了对植物-微生物相互作用的认知, 为开发高效的微生物辅助植物修复技术提供了理论依据。未来研究可验证该策略在不同作物中的普适性, 并着力构建针对特定污染物或环境条件的高效协同型根际微生物群落, 为可持续农业与土壤修复提供支持。

东北农业大学韩雪教授和张丽莉教授为该论文的通讯作者, 硕士研究生李彩霞、博士后刘佳俊为论文的共同第一作者。东北农业大学研究生刘吉冬、张书利、张继旺、杜帅康以及黑龙江中医药大学药学院杨炳友、刘艳为该研究做出了重要贡献。该研究获得黑龙江省“双一流”建设优势特色学科“中药生物遗传学”经费资助。