13C同位素示踪揭示高CO2 与丛枝菌根真菌对镉污染土壤中刺槐根系分泌物的调控机制

为探究全球气候变化下植物修复重金属污染土壤的机制，研究人员通过13C同位素示踪技术，系统分析了高CO2 (eCO2 )与丛枝菌根真菌(AMF)对镉(Cd)污染土壤中刺槐根系分泌物的协同调控作用。研究发现eCO2 显著增加氨基酸(163.00 μg kg?1 )和可溶性糖的分泌，并通过淀粉代谢、氨基糖代谢等通路改变代谢物组成，为全球变化背景下重金属污染修复提供了新思路。

　　

随着工业发展，土壤重金属污染已成为全球性环境问题。其中镉(Cd)因其高毒性和易迁移性备受关注，而植物修复技术因其环境友好特性成为研究热点。然而，在全球气候变化背景下，大气CO₂
浓度持续升高，这种变化如何影响植物对重金属的耐受机制尚不明确。与此同时，丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)作为与80%陆地植物共生的关键微生物，其与宿主的互作可能改变根系分泌物组成，进而影响重金属的生物有效性。这些科学问题亟待解答，特别是在中国西北矿区广泛种植的先锋树种刺槐(Robinia pseudoacacia L.)体系中。

针对这一科学前沿，西北农林科技大学的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表了创新性研究。通过13C同位素示踪技术，首次系统阐明了高CO₂
(elevated CO₂
, eCO₂
)与AMF菌株Funneliformis mosseae(FM)对Cd污染土壤中刺槐根系分泌物的协同调控机制。研究发现eCO₂
通过改变碳氮分配显著影响代谢物分泌，其中对氨基酸的贡献量高达163.00 μg kg^?1
，并鉴定出β-d-吡喃阿洛糖等9种单糖为关键差异代谢物。这些发现为预测气候变化下植物修复效率提供了理论依据。

研究采用四项关键技术：1) 无菌培养系统结合13C标记技术精确追踪根系分泌物来源；2) 正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)筛选56种FM诱导的差异代谢物；3) 代谢通路分析揭示淀粉与蔗糖代谢等关键途径；4) 同位素示踪定量eCO₂
对各类代谢物的贡献值。实验土壤采自陕西杨凌Cd污染农田(总Cd 2.95 mg kg^?1
)，刺槐种子购自西北农林科技大学。

主要研究结果

1. 根际土壤碳氮变化：eCO₂
   使根际土壤总碳显著降低1.3%，而FM处理未显著改变氮含量。

2. 根系分泌物总量：eCO₂
   使酚酸总量增加33.0%，与FM协同使氨基酸和可溶性糖分别增加11.31 μg kg^?1
   和8.31 μg kg^?1
   。

3. 酚酸调控机制：FM显著降低p-香豆酸等酚酸单体，而eCO₂
   通过苯丙烷代谢途径上调芥子酸含量。

4. 关键代谢物鉴定：发现9种单糖(如β-d-吡喃半乳糖)和肌氨酸为eCO₂
   主要贡献物，其中麦芽糖等5种差异物富集于氨基糖代谢通路。

5. 镉吸收调控：eCO₂
   +FM处理通过改变精氨酸代谢途径，间接影响根系对Cd的富集能力。

结论与意义
该研究首次量化了eCO₂
与AMF对重金属胁迫下植物根系分泌物的协同效应：1) 证明eCO₂
通过改变碳分配增加小分子分泌物释放，其中氨基酸响应最敏感；2) 揭示FM通过调控苯丙烷代谢等途径特异性改变酚酸组成；3) 发现淀粉与蔗糖代谢通路是环境因子调控的关键靶点。这些发现不仅为预测气候变化下植物修复效率提供了理论框架，更为筛选适应未来环境的重金属修复植物-微生物组合提供了科学依据。研究团队提出的"代谢通路-环境因子-修复效率"关联模型，对制定碳中和背景下的土壤修复策略具有重要指导价值。