遗传距离驱动镉胁迫竞争主导环境中的稀有微生物合作机制研究

本研究针对重金属镉(Cd)污染修复中微生物互作机制不清的难题，通过分析99株细菌形成的4851对互作关系，首次揭示Cd胁迫下竞争主导(51.52%)而合作稀有(14.29%)的生态格局。研究发现遗传距离与单株Cd吸附能力是驱动合作的关键因素，并成功构建具有协同增效的远缘菌群，使水稻根系Cd吸收提升50.80-91.60%，叶绿素含量增加37.10%，为定向设计功能菌群提供了新范式。

　　

土壤重金属污染已成为威胁全球粮食安全的重大环境问题。在中国，1981至2016年间土壤镉含量持续累积，多地已远超《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)限值。传统物理化学修复方法成本高昂且易破坏生态，而微生物修复因其环境友好特性备受关注。然而，现有研究多聚焦单一菌株功能，对复杂环境中微生物如何通过竞争合作实现群体功能知之甚少。尤其令人困惑的是，在镉胁迫这种典型"逆境"下，微生物究竟会加剧资源争夺，还是演化出特殊合作策略？这一科学问题的破解，对开发高效微生物修复技术具有关键指导价值。

针对这一挑战，华南农业大学的研究团队在《Environmental Research》发表创新成果。研究人员从广东、安徽等地镉污染土壤中分离99株细菌，涵盖Serratia、Pseudomonas等19个属，通过系统构建4851对菌株组合，结合表型分析与基因组比对，首次绘制了Cd胁迫下微生物互作的全景图谱。关键技术包括：16S rRNA基因序列比对确定遗传距离、H₂S生成实验评估代谢功能、水稻盆栽实验验证修复效果，以及扫描电镜(SEM)观察菌株定殖形态。

Isolation and identification of culturable bacteria
研究团队从5种不同施肥处理的土壤及广东韶关、佛山等地采集样本，获得具有地域和生态多样性的99株细菌，其中29株为首次从粤皖两地镉污染土壤中新分离。

Screening and functional testing of the synthetic community
通过生理生化实验筛选出70株具有Cd吸附潜力的菌株，发现产H₂S能力与Cd固定效率呈正相关。值得注意的是，来自相同土壤的菌株并未表现出更强的合作倾向。

Discussion
突破性发现竞争互作占比达51.52%，远高于合作互作(14.29%)。合作行为显著富集于16S rRNA遗传距离>0.1的菌株组合，且单株Cd吸附能力较弱的菌株更易建立合作关系。研究首次验证地理来源距离不影响互作类型选择。

Conclusions
该研究构建了Cd胁迫下"竞争主导-合作稀有"的微生物互作新模型，阐明遗传距离与功能互补性是驱动合作的关键进化力量。实践层面，成功开发出由远缘菌株组成的合成菌群，使水稻根系Cd吸收提升超90%，叶绿素含量增加37.10%，实现"修复-促生"双功能协同。这一发现为基于生态理论的微生物组工程设计提供了全新思路，对发展绿色可持续的土壤修复技术具有重要启示。

研究还提出若干待解问题：如合作菌株间是否通过代谢物交换实现功能互补？远缘菌株的基因组差异如何转化为表型协同？这些问题的深入探索将推动微生物生态学与环境工程的学科交叉创新。