砷污染是影响稻米质量安全的重要环境问题。稻田淹水条件下，土壤中的砷更易转化为迁移性和生物有效性更高的亚砷酸盐，通过水稻根系进入植株，导致籽粒砷累积，威胁农产品安全和人体健康。根际是水稻吸收砷的热点区域，也是微生物定殖和铁膜形成的活跃界面。然而，砷胁迫会抑制根际微生物活性和根表天然阻隔功能，如何利用抗砷功能微生物强化水稻根际屏障，实现稻米降砷与增产协同，仍值得深入探索。
近日，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所（环发所）退化及污染农田修复创新团队在砷污染稻田安全生产与微生物绿色调控方面取得新进展。该研究构建了一株抗砷促生工程菌Bacillus subtilis p43-Taglo1，发现其能够通过强化水稻根表铁膜-生物膜复合屏障，降低水稻砷吸收并促进生长。
该研究以植物根际促生菌Bacillus subtilis为模式菌株，导入来源于棘孢木霉 Trichoderma asperellum SM-12F1的砷结合蛋白 TaGlo1。TaGlo1可通过保守半胱氨酸残基结合砷，增强菌株在砷胁迫下的抗性和砷固定能力，使工程菌在砷污染环境中保持较强的根际功能活性。研究发现，B. subtilis p43-Taglo1能够稳定定殖于水稻根表，并促进根表铁膜-生物膜复合结构形成，从而将更多砷固定在根表界面，减少向水稻体内迁移。盆栽试验结果表明，与空载菌株相比，接种该工程菌可显著降低水稻籽粒砷含量，同时提高产量。
进一步研究表明，B. subtilis p43-Taglo1在砷胁迫下具有更强的Fe(II)氧化能力，可促进Fe(III)矿物沉淀，为铁膜形成提供物质基础；同时，该菌株产生更多铁载体和胞外聚合物，有助于铁元素富集、生物膜稳定和金属吸附，从而为根表砷固定提供更多结合位点。双RNA测序结果显示，接种B. subtilis p43-Taglo1后，细菌中Fe(II)氧化、铁载体合成和胞外聚合物合成相关基因表达上调；在水稻根系中，则激活了生长素、赤霉素等促生长激素相关途径，并下调了亚砷酸盐吸收与转运相关基因OsLsi1和OsLsi2的表达。
该研究揭示了抗砷促生菌强化水稻根际铁膜-生物膜天然屏障的新机制，提出了利用根际功能微生物协同调控水稻砷吸收的新思路，为砷污染稻田绿色修复、稻米安全生产和功能微生物菌剂研发提供了理论依据与技术支撑。
该研究成果以“Engineered Bacillus subtilis p43-Taglo1 fortifies the iron plaque-biofilm composite to reduce arsenic uptake and promote rice growth”为题发表于《New Phytologist》。中国农业科学院环发所苏世鸣研究员为通讯作者，广西大学李丽娟讲师为第一作者，南宁师范大学张拓副教授、太原科技大学霍丽娟教授、广西大学韦燕燕副教授、环发所张楠助理研究员、研究生王婷娟等参与了论文研究工作，南京农业大学赵方杰教授、环发所曾希柏研究员对该工作进行了指导。研究得到国家自然科学基金（42277035和42507023）、广西青年科技人才托举工程（GXYESS2025113）、中国农业科学院科技创新工程（CAAS-ASTIP-2021-IEDA；CAAS-CFSGLCA IEDA-202302）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（Y2025YC29）以及山西省科技创新团队专项基金（202304051001016）等项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1111/nph.71255
