玉米-花生间作体系通过根际微生物群落调控降低长期Cd-As复合污染农田中玉米砷积累的机制研究

推荐：针对长期Cd-As复合污染农田中作物重金属积累问题，研究人员通过田间试验探究玉米-花生间作体系对根际微生物群落及As/Cd行为的调控机制。研究发现间作显著降低玉米籽粒As含量达61.0%，并鉴定出Actinobacteria门关键菌属（如Lechevalieria、Nocardioides）与As生物有效性负相关，为As污染农田安全利用提供新策略。

　　

随着中国城市化与工业化进程加速，农田土壤砷（As）和镉（Cd）复合污染已成为威胁粮食安全与公众健康的重大环境问题。全国土壤污染调查显示，约19%的农地样品超标，其中Cd（7.0%）和As（2.7%）污染最为突出。重金属通过作物吸收进入食物链，可能引发慢性中毒甚至癌症。在耕地资源紧张背景下，探索轻中度污染农田的安全利用策略迫在眉睫。

传统单一作物种植模式难以有效缓解重金属积累，而间作体系因其物种互作和微生物调控潜力备受关注。玉米-花生间作是中国北方典型种植模式，但其在长期Cd-As复合污染农田中对重金属行为的调控机制尚不明确。尤其关键的是，根际微生物如何响应间作体系并影响As/Cd从土壤向作物的迁移，这一科学问题亟待解答。

针对这一挑战，中国科学院的研究团队在河北长期Cd-As污染农田开展田间试验，系统研究玉米-花生间作对作物As/Cd积累、根际微生物群落及土壤环境的影响。研究发现间作使玉米籽粒As含量降低61.0%，并揭示Actinobacteria门关键菌属通过调控As生物有效性发挥核心作用。该成果发表于《Soil》期刊，为污染农田安全利用提供微生物学理论支撑。

研究采用多组学联用技术：通过ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）和AFS（原子荧光光谱）定量作物与土壤As/Cd含量；利用16S rRNA基因测序解析根际与根内微生物群落结构；结合LEfSe分析筛选As/Cd响应关键菌属；采用共现网络模型揭示微生物互作关系。样本来自河北污水灌溉历史40年的典型污染农田（总As 102 mg/kg，Cd 2.28 mg/kg）。

3.1 As和Cd在玉米-花生间作体系中的分布特征
间作使玉米不同生长期根、茎、籽粒As含量分别降低38.4%、37.1%和61.0%，但对Cd积累无显著影响。花生各组织As/Cd含量均未受间作影响。机制上，间作玉米（IM）在拔节期（JS）根际pH和有效As分别降低2.20%和21.2%，这与玉米根系分泌苯并恶嗪类化合物（BXs）调控微生物群落相关。

3.2 间作重塑玉米根际微生物多样性
α多样性分析显示，IM根际微生物Chao指数在JS和成熟期（MS）显著高于单作（MM）。PCoA表明间作显著改变玉米根际和根内菌群结构，但对花生影响微弱。这种作物特异性差异与玉米须根系和花生直根系的构型差异有关。

3.3 关键微生物类群的筛选与功能
LEfSe分析鉴定出IM根际特异性富集的As抗性菌群：Actinobacteria门的Lechevalieria、Nocardioides、Agromyces和Blastococcus，以及Alphaproteobacteria科的norank_f__Geminicoccaceae。这些菌属携带As氧化酶基因，能将高毒As(III)转化为低毒As(V)。其中Lechevalieria通过黄素单核苷酸（FMNH₂）依赖的砷氧化途径降低As有效性。

3.5 微生物网络互作增强As固定
共现网络分析显示，IM根际在JS的微生物节点数和互作边数比MM增加79.1%和210%，模块化系数提升65.3%。这种复杂网络结构维持了As固定功能菌群的稳定性，形成协同抗As的微生态屏障。

该研究证实玉米-花生间作通过招募特定根际微生物（如Lechevalieria等）降低As生物有效性，从而减少玉米籽粒As积累。这一发现为As污染农田安全利用提供生态解决方案，但对Cd或Cd-As复合污染土壤适用性有限。未来可基于标志菌株开发植物促生菌（PGPR）接种剂，进一步优化重金属污染修复策略。研究创新性在于揭示间作体系下"作物-微生物-重金属"三元互作机制，为发展绿色农业技术提供理论依据。