植物促生真菌Cladosporium 'BF-F'通过调控金属离子转运基因增强海马齿对镉的富集能力及其分子机制

为解决土壤镉(Cd)污染修复效率低下的问题，南京某研究团队开展了一项关于植物促生真菌(PGPF) Cladosporium 'BF-F'增强海马齿(Sesuvium portulacastrum)镉富集能力的研究。通过转录组分析和生理实验，发现'BF-F'通过上调ZIP、COPT等金属离子转运基因表达，显著提高植物对Cd2+ 的吸收效率（提升48.23%），同时降低锌(Zn)、铜(Cu)的转运。该研究为微生物辅助植物修复重金属污染提供了新策略，成果发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》。

　　

随着工业发展，土壤镉污染已成为威胁生态环境和人类健康的重大隐患。镉作为一类致癌物，能通过食物链在人体蓄积，而传统物理化学修复方法成本高昂且易造成二次污染。植物修复技术虽环保经济，但普通植物存在生物量小、富集效率低的瓶颈。海马齿虽具有多重抗逆性，但其镉富集能力远低于超富集植物。如何通过微生物调控提升普通植物的修复效率，成为环境科学领域亟待突破的难题。

南京的研究团队发现一株从海马齿根际分离的植物促生真菌Cladosporium 'BF-F'，其在50-200 μM Cd²⁺
胁迫下仍保持较强生长活力。通过WGA荧光染色和qPCR证实该真菌能定殖于植物根际细胞间隙。在50 μM CdCl₂
处理下，接种'BF-F'使海马齿生物量增加，但叶片出现明显萎黄症状，H₂
O₂
含量升高48.23%，且光合作用相关基因表达下调。有趣的是，这种毒性反应伴随着植物体内Cd含量显著提升，根部Cd浓度增加169.25%，转运系数(TF)提高45.12%。

研究采用RNA-seq技术解析分子机制，发现'BF-F'诱导了金属离子转运基因的差异表达：在根部上调锌转运蛋白(ZIP)、铜转运蛋白(COPT)、重金属关联异戊二烯化蛋白(HIPP)及黄酮醇合成酶(YSL)家族基因；在茎部激活ABC转运蛋白(ABCC)和YSL基因。这些变化导致Zn²⁺
、Cu²⁺
的吸收受抑（根部Zn含量降低35%，Cu降低42%），而Cd²⁺
通过竞争性转运显著增加。qPCR验证显示SpZIP3、SpCOPT5等关键基因表达量提升2-5倍。

该研究首次揭示Cladosporium真菌通过"生物量提升-离子通道调控"双途径增强植物Cd富集：一方面分泌生长素促进植物生长；另一方面重塑金属离子转运网络，使Cd²⁺
劫持Zn²⁺
/Cu²⁺
的转运通道。虽然海马齿因非超富集特性表现出Cd敏感，但该机制在超富集植物中可能产生更大应用价值。研究为微生物辅助修复技术提供了新思路，其发现的HIPP-YSL-ABCC调控轴为遗传改良植物修复能力提供了分子靶点。

主要技术方法包括：①真菌Cd耐受性实验（PDA培养基梯度培养）；②植物-真菌共培养体系（MS培养基）；③激光共聚焦显微观察（WGA-Alexafluor488染色）；④生理指标检测（H₂
O₂
含量、SOD/POD/CAT活性）；⑤ICP-MS重金属含量分析；⑥转录组测序（Illumina平台）及qPCR验证；⑦统计分析方法（SPSS方差分析）。

研究结果部分：
3.1 'BF-F'在≤200 μM Cd²⁺
下生长抑制率<15%，显示强Cd耐受性
3.2 荧光标记证实真菌定殖于根际，tef1α基因拷贝数增加3.8倍
3.3.1 Cd胁迫下接种组鲜重提高62%，但叶片出现Cd中毒症状
3.3.2 接种使CAT活性降低40%，H₂
O₂
积累加剧氧化损伤
3.3.3 全株Cd富集量达对照2.7倍，TF值由0.38升至0.55
3.5 转录组显示ZIP/COPT基因在根部特异性上调，YSL3表达量增加4.2倍
3.6 Zn、Cu含量分析证实'BF-F'改变离子竞争平衡

结论与讨论指出，'BF-F'通过调控ZIP-COPT-YSL转运系统创造了"Cd优先"的离子吸收模式，这种微生物诱导的跨膜转运重编程比单纯超表达单个转运蛋白更具应用潜力。虽然当前体系中海马齿的Cd耐受性未获提升，但将'BF-F'与超富集植物结合，或通过基因编辑强化HIPP蛋白的Cd螯合能力，可能成为未来研究方向。该成果为发展低成本、可持续的土壤修复技术提供了理论支撑和实践范式。