铀和镉在根际微生物生态中的共污染机制及其在甘薯品种中的积累

《Journal of Environmental Radioactivity》：Mechanisms of uranium and cadmium Co-contamination on rhizosphere microecology and accumulation in sweet potato varieties

甜菜品种间铀、镉积累差异受根系微生物群落及代谢调控影响，通过光合效率、离子吸收及微生物多样性分析，发现紫色甜菜品种因根系微生物多样性降低及代谢重编程导致铀、镉生物富集能力显著增强，而低积累品种通过增强光合参数及代谢网络调节实现抗性。

　　本研究探讨了甜菜根部微生态机制如何驱动不同甜薯品种对铀（U）和镉（Cd）的积累差异，为筛选低积累品种和开发污染土壤的植物修复技术提供了理论依据。研究中选择了两种对比品种：高积累紫色甜薯和低积累的Sushu No. 8，通过盆栽实验分析了它们在重金属胁迫下的光合作用响应、矿质营养动态、根部微生物群落变化以及土壤代谢组特征。结果表明，尽管紫色甜薯在光合作用效率方面优于Sushu No. 8，但在U和Cd复合污染条件下表现出更高的敏感性，导致细胞间CO?浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）分别减少了4.68%至13.05%。此外，紫色甜薯的根部Cd污染指数（Pi_Cd）比Sushu No. 8高出15.4倍，其所有组织中的生物富集因子（BCF）和转运系数（TF）均显著增加。这些发现表明，高积累品种的根部微生物群落表现出更强的环境敏感性，这可能是导致其对重金属积累能力不同的关键因素。

重金属污染对植物的生长和发育产生深远影响，不仅破坏土壤的肥力和质量，还可能通过食物链危害人类健康。随着铀矿、金属与非金属矿开采以及磷酸盐矿肥的使用，土壤中的重金属污染问题日益严重。例如，无机磷肥的频繁使用使得表层土壤中的Cd和U平均浓度比深层土壤分别高出58%和9%。当这些重金属被作物吸收并积累时，它们可能通过食物链传递至人体，引发一系列健康问题。因此，理解不同作物品种对重金属的吸收与富集机制，对于土壤修复和作物安全种植具有重要意义。

本研究通过对比两种甜薯品种的光合作用效率、矿质营养动态、根部微生物群落变化和土壤代谢组特征，揭示了它们在重金属胁迫下的差异。光合作用参数如Ci、Tr和Gs在紫色甜薯中表现更优，但在U和Cd复合污染条件下显著下降。这表明，紫色甜薯在应对复合污染时的生理适应能力较弱，而Sushu No. 8则表现出更强的耐受性。此外，Cd处理显著增加了紫色甜薯叶片的叶绿素含量，而U处理则导致其叶绿素含量下降。这些变化可能反映了不同品种在应对重金属胁迫时的资源分配策略差异，即紫色甜薯倾向于将资源优先分配给重金属的解毒和转运，而Sushu No. 8则通过提高气孔导度来维持生长。

在重金属的积累方面，紫色甜薯的根部、茎部和叶片均表现出显著的U和Cd积累，且根部积累量最高。这表明，根部是甜薯吸收和积累重金属的主要部位。然而，Sushu No. 8的根部U积累量在120天时显著增加，这可能与根部分泌物增加导致的铀溶解性提高有关。同时，紫色甜薯的Cd积累量在复合污染条件下显著高于单一污染，说明复合污染可能加剧甜薯块茎的污染程度。这些结果表明，不同品种的重金属积累能力与它们的生长阶段密切相关，尤其是在旺盛生长期，植物对重金属的吸收能力达到高峰。

土壤离子组分析进一步揭示了重金属胁迫下植物根部对不同元素的吸收和利用能力的变化。在紫色甜薯的根部土壤中，U和Cd处理显著抑制了Ca、Mg、Fe等二价阳离子的吸收，但促进了K、P和S的吸收，这可能与它们的协同运输机制有关。相比之下，Sushu No. 8的根部在Cd处理下表现出对某些元素的吸收能力增强，而U处理则导致元素残留量增加。这些结果表明，不同品种在应对重金属污染时，其根部对土壤中可吸收元素的调控策略存在显著差异。

微生物群落分析显示，紫色甜薯的根部微生物多样性在Cd和Cd+U处理下显著下降，而Sushu No. 8则表现出更高的微生物多样性。这可能与不同品种对重金属的生理响应机制有关，即紫色甜薯的根部微生物群落更容易受到重金属胁迫的影响。同时，微生物与代谢物之间的相互作用网络表明，Cd处理显著改变了根部微生物的组成，而U处理则影响了代谢物的分布。这些变化可能通过影响微生物的代谢途径，进而改变土壤中重金属的生物可利用性。

代谢组分析揭示了U和Cd胁迫下根部代谢物的变化。在紫色甜薯的根部土壤中，U处理诱导了13条代谢途径的富集，包括半乳糖代谢、ABC转运蛋白和嘧啶代谢等。这些代谢物的变化与微生物群落的组成和功能密切相关，表明重金属胁迫可能通过改变根部代谢物的浓度，进而影响微生物的生存和功能。此外，Cd处理在紫色甜薯和Sushu No. 8的根部土壤中均诱导了7条代谢途径的富集，如尿素代谢、半乳糖代谢和嘧啶代谢等。这些结果表明，不同品种在应对重金属污染时，其根部代谢物的响应模式存在显著差异。

研究还发现，重金属胁迫下根部代谢物与微生物多样性之间存在显著的相关性。例如，在U处理下，某些氨基酸和核苷酸的浓度变化与特定微生物的丰度相关，而Cd处理则影响了更多代谢物的表达。这些结果表明，根部代谢物和微生物群落之间的相互作用在重金属胁迫下的适应性响应中起着关键作用。通过调控这些代谢物和微生物的相互作用，可能有助于提高植物对重金属的耐受性和减少其在植物体内的积累。

综上所述，本研究通过多维度分析，揭示了不同甜薯品种在重金属胁迫下的生理和生态响应机制。紫色甜薯表现出更强的重金属积累能力，但对复合污染的敏感性更高，而Sushu No. 8则表现出更强的耐受性。这些差异可能与植物的矿质营养代谢效率、微生物群落的配置以及代谢重编程有关。因此，在选择低积累品种和开发重金属污染土壤的植物修复技术时，需要综合考虑这些因素。此外，研究还表明，重金属胁迫可能通过改变根部代谢物的浓度和微生物群落的组成，进而影响土壤中重金属的生物可利用性。这些发现为未来研究植物-微生物-土壤系统中重金属循环提供了新的视角。