利用沙雷氏菌和荧光假单胞菌通过吸收调控和抗氧化调节增强水稻生长及缓解镉毒性的生态友好作用

本研究针对水稻(Oryza sativa L.)在镉(Cd)污染土壤中的生长受限问题，通过单独/联合施用沙雷氏菌(Serratia marcescens)和荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)两种植物促生菌(PGPR)，系统评估了其对水稻镉耐受性的调控机制。研究发现PGPR处理能显著改善水稻光合特性、增强抗氧化防御系统(SOD/POD/CAT/APX)，并通过调节脯氨酸代谢和AsA-GSH循环降低氧化应激标志物(MDA/H2O2)，同时促进细胞壁组分(纤维素/果胶)对镉的固定。该研究为重金属污染农田的生物修复提供了新策略。

　　

随着工业化和农业现代化进程，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。其中镉(Cd)因其高毒性、强迁移性和生物富集性，被列为优先控制污染物。当这种重金属通过根系进入水稻——这个养活全球半数人口的主粮作物后，会引发一系列连锁反应：从抑制光合色素合成、破坏气孔导度，到诱发活性氧(ROS)爆发导致膜脂过氧化，最终表现为植株矮化、产量锐减。更严峻的是，镉通过食物链在人体肝脏和肾脏累积，可能引发"痛痛病"等慢性中毒。传统修复方法如客土法成本高昂，化学钝化剂可能造成二次污染，因此寻找生态友好的生物修复策略迫在眉睫。

来自沙特阿拉伯Taif大学和波兰波兹南生命科学大学的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究，创新性地将两种植物根际促生菌——产红色素的沙雷氏菌(Serratia marcescens)和能分泌铁载体的荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)组合应用，系统解析了它们缓解水稻镉毒性的多重机制。研究人员通过盆栽实验设置了12种处理组合，包括不同浓度(10/20 ppm)的单一菌剂及复合菌剂处理，在100μM CdCl₂胁迫条件下，综合运用生理生化测定、基因表达分析(qRT-PCR)和细胞组分分离等技术手段，绘制出PGPR介导的水稻镉抗性调控网络。

关键技术方法包括：1) 采用ICP-MS测定不同器官镉积累量；2) 通过LI-COR 6400系统量化光合参数(净光合速率Pn、气孔导度Gs等)；3) 紫外分光光度法检测抗氧化酶(SOD/POD/CAT/APX)活性和氧化应激标志物(MDA/H₂O₂)；4) qRT-PCR分析Fe-SOD、POD等基因表达；5) 细胞壁组分分级技术解析镉的亚细胞分布。

【生长与光合特性】镉胁迫使水稻株高降低42%，生物量减少38%，叶绿素a/b含量下降达45%。而PGPR处理组特别是20 ppm复合菌剂(T11)表现最优，使株高恢复91%，叶绿素a含量提升2.3倍。气体交换参数显示，复合菌剂处理的净光合速率(Pn)比单一菌剂平均高27%，这得益于菌群分泌的生长素类物质促进气孔开放，使气孔导度(Gs)提高至对照组的86%。

【氧化应激与抗氧化系统】镉胁迫下MDA含量激增3.8倍，但复合菌剂使其降低68%。分子机制上，PGPR通过双重途径增强抗氧化防御：一方面上调SOD、APX等酶活性(最高达对照的2.1倍)，另一方面激活Fe-SOD、CAT1等基因表达。特别值得注意的是，非酶抗氧化物质如类黄酮在T11处理中积累量比单菌处理高39%，这种"酶-非酶协同"模式更有效维持了氧化还原稳态。

【脯氨酸代谢与AsA-GSH循环】研究首次发现PGPR能重构渗透调节网络。镉胁迫诱导脯氨酸含量升高至35 μmol/g FW，但复合菌剂通过抑制P5CR(吡咯啉-5-羧酸还原酶)活性，使脯氨酸水平回归正常。在AsA-GSH循环中，菌剂处理使抗坏血酸(AsA)含量恢复76%，同时降低氧化型谷胱甘肽(GSSG)比例，这种"氧化还原缓冲池"的重建对细胞解毒至关重要。

【细胞壁分室化与镉分配】创新性地发现PGPR改变镉的亚细胞分布。在复合菌剂处理中，细胞壁结合的镉占比达61%，比单菌处理高18%，这源于果胶甲基酯酶活性提升使细胞壁负电荷位点增加。相应地，向地上部转运的镉减少43%，印证了"根区固定-减少转运"的解毒策略。

【讨论与意义】该研究揭示了PGPR协同作用的三大机制：1) 通过分泌铁载体竞争镉结合位点；2) 激活多层级抗氧化防御；3) 重构细胞壁架构限制镉迁移。与单菌处理相比，复合菌剂使稻米镉含量降至0.15 mg/kg，低于0.4 mg/kg的国际限值。这种"以菌治毒"模式每亩成本不足化学修复的1/5，为可持续农业提供新思路。研究团队建议下一步开展田间试验，并探索PGPR与硅肥等的联合应用，以进一步优化修复效率。