图片摘要

成果简介

近日，湘潭大学环境与资源学院李峰教授在环境领域著名学术期刊 Environmental Pollution 上发表了题为“ DNA-stable isotope probing and metagenomics reveal Fe(II) oxidation by core microflora in microoxic rhizospheric habitats to mitigate the accumulation of cadmium and phenanthrene in rice ”的研究论文 。该研究利用凝胶稳定梯度系统模拟了水稻根际土壤 - 孔隙水生境的微氧条件，研究发现根际微氧生境中微生物驱动 Fe(II) 氧化生成铁氧化物，降低了孔隙水和水稻中镉 (Cd) 和菲 (Phen) 的含量。与 Cd 或 Phen 单一处理组相比， Cd 和 Phen 共存时使水稻中 Cd 的积累量减少而 Phen 的积累量增加，其原因是污染物与水稻根系之间的阳离 子 -π 作 用和吸附点位竞争作用。通过 DNA-SIP 和宏基因组学技术鉴定出潜在的 Cd 抗性根际菌和 Phen 降解根际菌，这些根际核心微生物具有丰富的耐 Cd 、 Phen 降解和 Fe(II) 氧化基因 。研究成果阐明了根际微氧生境中核心微生物驱动 Fe(II) 氧化在降低根际 Cd 和 Phen 的生物利用度的潜在机制和生态意义，为污染物的根际阻控提供了科学依据 。

水稻全生育周期中土壤的干湿交替导致根际土壤发生厌氧和好氧的周期性循环。在淹水时，根际土壤氧气水平从上到下逐渐下降，加之水稻根系径向氧损失导致根际土壤-孔隙水-根界面形成微氧生境，有利于微氧型根际微生物的富集，并对根际元素循环和污染物的生物利用度产生影响。我国南方稻田土壤的典型特点是含Fe量高，Cd和Phen是土壤-水稻系统中普遍检出的污染物。已有研究表明Fe(II)氧化微生物氧化Fe(II)在根际土壤和根表形成具有较高结合能的铁氧化物，从而影响污染物的生物利用度。然而，在高度复杂环境中的微生物群落背景下，Cd和Phen显著影响了根际微氧生境中群落的变化，促使人们探索Cd和/或Phen对根际微氧生境中微生物菌群多样性的影响，探讨根际核心菌群和关键功能基因对Cd和/或Phen的响应机制，特别是关注负责Fe(II)氧化的功能菌群特点。因此，本研究利用具备Fe(II)和氧气反向梯度的凝胶梯度管模拟水稻根际土壤-孔隙水生境中的微氧条件，探讨了水稻水培系统中根际微生物驱动的Fe(II)氧化对水稻和根际孔隙水中Cd和Phen含量的影响，通过qPCR、DNA-SIP和宏基因组学探究了Cd或/和Phen对水稻根际微氧环境中关键微生物群落分布特点、关键代谢基因及其对污染物的代谢潜力。

图文导读

根际微氧生境中微生物驱动 Fe (II) 氧化和水稻中 Cd 和 Phen 含量的变化

接种水稻根际土壤后，凝胶梯度管内形成富含橙黄色铁氧化物的孵化层，总Fe和 SO ₄ ^2- 浓度逐渐升高，溶解氧浓度逐渐下降。然而，接种灭菌土壤处理组中没有观察到橘黄色铁氧化物，孵育层中总Fe、SO ₄ ^2- 和溶解氧浓度含量没有显著变化，表明接种水稻根际土壤后，根际微氧型Fe(II)氧化微生物发生富集且是驱动根际Fe(II)氧化的主要原因(图1a)。

接种根际土壤后，梯度管中溶解性Cd和Phen含量显著低于其他处理组，在第25d时，Cd和Phen的去除率分别达到100%和88.6%(图1b和c)。在污染物暴露下，与接种无菌水的处理组相比，接种水稻根际土壤后水稻高度和干重显著增加，水稻MDA和SOD含量显著降低。与无菌水处理相比，接种根际土壤后水稻地上部和根系中Cd含量分别降低了32.7%-42.4%和15.9%-78.0%，水稻地上部和根系中Phen含量分别降低了14.1%-37.4%和10.1%-14.7%(图1d和e)。以上结果表明接种根际土壤后，根际微域中微氧型Fe(II)氧化微生物驱动了生物源细胞-矿物聚合物的生成，使根际孔隙水和水稻中污染物含量降低。此外，与单独Cd或Phen处理组相比，Cd-Phen处理组梯度管中溶解态Cd含量增加，溶解态Phen含量降低，而水稻地上部和根系中Cd含量降低，Phen含量增加，这可能是由于污染物与水稻根系之间的阳离子-π作用和吸附点位竞争作用。

图 1. 接种未灭菌水稻根际土和灭菌水稻根际土 0-15 天后凝胶稳定梯度体系中铁氧化物孵育带图片 (a) 。不同处理组梯度管中溶解的 Cd (b) 和 Phen (c) 的含量。不同处理组中水稻根、茎中 Cd (d) 和 Phen (e) 的含量。

采用 qPCR 对生物源细胞 - 矿物聚合物中的 Cd 抗性基因（ czcC 和 cadA ）和 Phen 降解基因（ pahE4 和 pahE1 ）进行定量。在 5-10 d 内，与无污染物处理组相比，伴随着微生物驱动 Fe(II) 的氧化，生物源细胞 - 矿物聚合物中 czcC 、 cadA 、 pahE4 和 pahE1 基因丰度升高 ( 图 2a-d) 。这些结果表明微氧生境中潜在的 Cd 抗性和 Phen 降解根际功能微生物被富集。与 Cd 或 Phen 处理组相比， Cd-Phen 处理组中 Cd 抗性基因和 Phen 降解基因丰度显著下降，表明在面对 Cd-Phen 双重胁迫时，根际微生物群落的组成和活性发生变化 ( 图 2a-d) 。

根际微生物的差异分布也影响了编码水稻根系中污染物转运蛋白基因的丰度。与接种无菌水处理组相比，接种根际土壤处理组中 OsNramp5 和 OsHMA3 基因的丰度显著降低，表明 Cd 转运至水稻根的能力明显下降 ( 图 2e 和 f) 。接种根际土壤处理组中 OsPHO2 基因丰度低于无菌水处理组的 OsPHO2 基因丰度， OsPHO2 蛋白促进水稻根系中 Phen 向地上部的迁移 ( 图 2g) 。与单一 Cd 或 Phen 处理组相比， Cd-Phen 处理组的 OsNramp5 和 OsHMA3 基因丰度降低， OsPHO2 基因丰度升高，这些结果与不同处理组水稻中污染物含量的变化相一致 。

图 2. 不同处理组孵育带中 czcC 基因 (a) 、 cadA 基因 (b) 、 pahE4 基因 (c) 和 pahE1 基因 (d) 的丰度。不同处理组中水稻根系中 OsNramp5 基因 (e) 、 OsHMA3 基因 (f) 和 OsPHO2 基因 (g) 的丰度。

采用 DNA-SIP 筛选根际微氧生境中潜在的 Cd 抗性和 Phen 降解菌群