淹水胁迫下柳树‘J172’通过调控根际细菌群落组装与功能增强铅耐受性的机制研究

针对铅(Pb)污染土壤在气候变化下因淹水风险加剧导致的生态功能失衡问题，研究人员以速生柳树(Salix×jiangsuensis ‘J172’)为模型，探究了不同淹水条件(间歇性IF/持续性CF)与Pb污染(400/800 mg?kg-1 )对根际细菌群落组装机制及功能的影响。研究发现淹水使Pb800处理组有效态铅降低14.1-17.7%，并通过促进硫酸盐还原功能基因增加Pb固定化。该研究为多胁迫环境下木本植物-微生物协同修复提供了理论依据，发表于《Environmental Pollution》。

　　

随着全球工业化进程加速，土壤铅(Pb)污染已成为威胁生态系统健康和农产品安全的重要环境问题。与此同时，气候变化导致的极端降水事件频发，使得土壤淹水风险显著增加。这种"重金属+淹水"的双重胁迫组合，不仅会改变重金属的生物有效性，还可能通过影响土壤微生物群落的结构与功能，进而干扰生态系统的自我修复能力。尽管已有研究关注单一胁迫下的微生物响应，但关于木本修复植物根际微生物如何应对复合胁迫的机制仍属空白。

针对这一科学问题，来自广东省某湿地生态系统研究中心的研究团队以具有强环境适应性的杂交柳树‘J172’(Salix×jiangsuensis ‘J172’)为研究对象，设计了一套精巧的复合胁迫实验。通过设置不同Pb污染水平(对照、400和800 mg?kg^-1
)与淹水模式(非淹水NF、间歇淹水IF和持续淹水CF)的组合处理，结合高通量测序和功能预测分析，系统解析了根际细菌群落的组装规律及其生态功能响应特征。相关成果发表在环境领域权威期刊《Environmental Pollution》上。

研究采用的主要技术方法包括：采集广州湿地表层土壤进行盆栽实验，通过BCR连续提取法测定Pb形态；运用Illumina MiSeq平台进行16S rRNA基因测序分析微生物群落；采用PICRUSt2和FAPROTAX工具预测功能基因；使用βNTI指数量化群落组装过程；通过Mantel检验分析环境因子关联性。

【土壤理化性质】
研究发现淹水条件显著改变了土壤Pb的生物有效性。在Pb800处理组中，IF和CF分别使有效态Pb降低17.7%和14.1%，这与淹水导致的pH值上升(IF:3.7-6.1%，CF:1.9-4.7%)密切相关。值得注意的是，CF处理显著提高了硫酸盐还原功能基因的丰度，这种微生物介导的硫循环过程可能促进了PbS等难溶性化合物的形成。

【细菌群落多样性】
淹水显著提升了细菌系统发育多样性，其中IF的促进作用尤为突出(增加10.6%)。在Pb800-CF处理中，变形菌门(Proteobacteria)相对丰度增加21.4%，而酸杆菌门(Acidobacteria)减少15.2%，表明淹水条件对特定菌门存在显著选择压力。

【群落组装机制】
虽然所有处理中随机性过程(中性理论)仍占主导(标准化随机性比率βNTI>0.5)，但CF条件使确定性过程(生态位理论)的贡献率提升23.8%。这种转变可能与根系分泌物驱动的化学梯度选择有关。

【功能特征】
CF处理普遍降低细菌功能冗余指数7.1-25.9%，暗示生态系统功能稳定性受损；而IF在Pb800下该指数反而升高，显示间歇性胁迫可能激发微生物的功能弹性。共现网络分析揭示CF条件下微生物互作关系更趋复杂，关键节点菌多为具有金属抗性的硫循环相关菌株。

该研究首次系统阐明了淹水-铅复合胁迫下柳树根际微生物组的适应策略：通过增强确定性筛选富集耐Pb菌株，同时激活硫酸盐还原等特定代谢途径来降低Pb生物有效性。这一发现不仅为预测气候变化背景下污染土壤的生态演变提供了理论框架，更为设计"植物-微生物"联合修复体系提供了关键靶点。特别是间歇性淹水展现出的功能稳定性维持效应，为人工湿地构建中的水文调控提供了重要参考。研究还创新性地将群落组装理论与生态功能预测相结合，为复杂环境胁迫下的微生物组研究建立了方法学范式。

未来研究可进一步结合宏基因组和代谢组技术，解析关键功能菌株的分子适应机制，并评估不同水文调控模式对长期修复效果的影响。这些深入探索将有助于开发基于根际微生态调控的精准修复技术，服务于国家土壤污染防治重大需求。