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土壤镉（Cd）污染威胁农业与食品安全，为解决此问题，研究人员开展 “氮循环诱导的促植物生长根际细菌（PGPR）对镉植物修复影响” 的研究。结果发现 PGPR 重塑根际环境，增强修复效果。该研究为土壤修复提供新思路125。
在环境污染问题日益严峻的当下，土壤重金属污染已成为制约农业可持续发展、威胁食品安全的一大难题。其中，镉（Cd）作为农业土壤中极为常见且生物有效性高的重金属，其污染导致的 “镉大米” 问题，引发了广泛的社会关注。尽管人们付出诸多努力，制定了严格的环境法规，尝试各种修复手段，但镉污染仍在持续积累，使大量农田失去生产能力。传统的植物修复方法，虽具有生态友好的优势，却因超积累植物生长缓慢、生物量小，导致修复效率受限。而微生物在植物生长和抗逆过程中发挥着关键作用，促植物生长根际细菌（PGPR）理论上可助力植物修复镉污染土壤，然而其在实际应用中的机制与效果却尚不明确。在此背景下，上海交通大学等研究机构的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Microbiome》上。
为探究 PGPR 在增强镉植物修复中的作用机制，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过高通量测序技术，对 PGPR 接种后的根际微生物群落进行分析，挖掘其中的有益微生物单元。其次，运用非靶向代谢组学技术，研究根际土壤代谢谱的变化，以揭示微生物与植物之间的代谢关联。此外，构建和简化以 NCT-2 菌株为核心的功能微生物群（合成群落，SynCom），并利用多组学分析技术，深入探究微生物相互作用的潜在分子机制3415。
研究结果如下：
- PGPR 介导的根际土壤理化性质变化增强植物修复效果：研究发现，NCT-2 菌株显著提高了龙葵（Solanum nigrum L.）对镉的修复效率。与对照组相比，接种 NCT-2 菌株后，龙葵整株干重、镉浓度和镉积累量分别显著增加 16.83%、16.92% 和 36.85%。同时，该菌株改变了根际土壤的理化性质，包括电导率（EC）、pH 值、阳离子交换容量（CEC）等，还提高了土壤中总氮（TN）、铁（TFe）等多种养分的含量，以及土壤酶（如土壤硝酸盐还原酶 S-NR、土壤酸性磷酸酶 S-ACP 等）的活性。通过相关性分析和 LASSO 回归模型发现，S-NR 和有效磷（AP）是影响镉积累的关键指标，其中 S-NR 的影响占比高达 97.02%67。
- PGPR 改变超积累植物 - 土壤相互作用系统中的微生物群落组成：对龙葵 - 土壤相互作用系统中细菌群落的 α 多样性和 β 多样性分析表明，NCT-2 菌株接种虽未显著影响细菌群落的 α 多样性，但改变了整体群落组成。在门水平上，NCT-2 菌株接种使根际土壤和根内圈中厚壁菌门（Firmicutes）的相对丰度显著增加，而绿弯菌门（Chloroflexi）等的相对丰度降低；在属水平上，根际土壤和根内圈中芽孢杆菌属（Bacillus）的相对丰度显著增加，同时也改变了其他一些属的相对丰度。此外，研究还发现 S-NR 与土壤细菌群落密切相关89。
- PGPR 使未接种的根际土壤微生物群落与 bulk soil 趋同：通过微生物源追踪（FEAST）和共现网络分析发现，接种 NCT-2 菌株后，bulk soil 的微生物群落主要来源于未接种的根际土壤（CRS），且二者的细菌群落网络相似性更高。这表明 NCT-2 菌株的接种使 bulk soil 的微生物群落向未接种的根际土壤微生物群落趋同1011。
- 微生物群落和 S-NR 的动态变化与 PGPR 在根际土壤中的定植相关：对芽孢杆菌属的详细分析发现，只有 ASV_20544 序列与 NCT-2 菌株序列 100% 相似，且其主要定植在接种 NCT-2 菌株的龙葵根际土壤和根内圈中。进一步分析发现，根际土壤中细菌群落的变化与 ASV_20544 丰度显著相关，且 ASV_20544 丰度与 S-NR 呈显著正相关1213。
- PGPR 定植富集低丰度生物标志物：通过 LDA 效应大小（LEfSe）分析和随机森林预测发现，与对照组相比，NCT-2 菌株接种显著富集了包括 Granulicella、Microbacterium 等在内的多个低丰度细菌属。这些富集的生物标志物大多与 NCT-2 菌株的定植丰度显著正相关1416。
- 与关键微生物类群相关的潜在代谢物：土壤非靶向代谢组学分析表明，NCT-2 菌株接种显著改变了根际土壤的代谢谱，共鉴定出 153 种显著差异代谢物（DEMs），其中 114 种上调。KEGG 通路富集分析发现，色氨酸代谢、苯丙烷生物合成等六条通路显著富集。结构方程模型（SEM）进一步揭示了菌株定植、S-NR 活性、代谢谱和关键类群富集之间的关系1718。
- 合成群落的构建和简化：研究人员筛选出 8 个关键菌株，构建了多个合成群落。结果表明，单一 NCT-2 菌株接种对根际 S-NR 活性、植物生长和镉积累的促进作用有限，而包含多个关键菌株的合成群落（SynCom）则能显著提高 S-NR 活性和镉积累量。进一步简化合成群落得到 SynCom3（由 Lysobacter、Microbacterium 和 NCT-2 菌株组成），其接种显著提高了龙葵的生物量、镉浓度、镉积累量和根际 S-NR 活性1920。
- SynCom3 诱导苯丙烷生物合成和色氨酸代谢途径的富集：转录组测序和非靶向代谢组学分析表明，与单一 NCT-2 菌株接种相比，SynCom3 接种显著上调了龙葵根中 5943 个基因，下调了 6388 个基因。KEGG 富集分析发现，苯丙烷生物合成、色氨酸代谢等通路显著富集，且这些通路中的相关代谢物均显著上调。相关性分析表明，Lysobacter 和 Microbacterium 的丰度与这些通路中的 DEMs 显著正相关2122。
研究结论和讨论部分指出，有益微生物接种可有效促进重金属污染下植物的生长和发育，增强污染土壤的植物修复能力。NCT-2 菌株主要通过增加土壤硝酸盐还原酶（S-NR）的活性，促进根际养分吸收，刺激镉植物修复。S-NR 是 PGPR 介导的增强植物修复的关键因素，其活性不仅影响土壤氮循环，还与菌株的定植丰度密切相关。同时，NCT-2 菌株的定植重塑了根际微生物群落，通过改变代谢谱，富集了某些低丰度细菌属。简化的合成群落 SynCom3 以 NCT-2 菌株为核心，Lysobacter 和 Microbacterium 为辅助，显著增强了镉植物修复效果，这主要得益于 NCT-2 菌株更高效的定植，以及苯丙烷生物合成和色氨酸代谢途径的富集。这些发现为深入理解有益细菌如何通过调节根 - 土界面环境参数来调控镉污染土壤的植物修复提供了新视角，有助于指导未来微生物组操作，以提高植物健康水平、植物修复效率和重金属胁迫下的可持续生产2324。
