小麦根际微生物群落对镉胁迫的响应机制及其在粮食安全中的调控作用

推荐：本研究针对土壤镉(Cd)污染威胁粮食安全的核心问题，通过16S和ITS测序技术解析小麦根际微生物群落对10 μM Cd胁迫的响应。研究发现低浓度Cd显著增加小麦籽粒Cd含量(0.2 mg·kg-1)，导致细菌丰度下降而真菌保持稳定，鉴定出45个Cd特异性细菌OTUs和2个真菌OTUs，揭示核心菌群Acidobacteria、Nitrospirae和Chloroflexi的网络调控作用，为微生物修复镉污染土壤提供新思路。

　　

随着全球7%耕地面临镉(Cd²⁺)污染威胁，作物通过食物链传递重金属的风险日益凸显。小麦作为对镉敏感的主粮作物，其籽粒镉积累量可达其他谷物的20倍，而传统修复技术存在成本高、周期长等局限。在此背景下，浙江大学研究人员在《Crop Design》发表的研究首次系统揭示低浓度镉胁迫下小麦根际微生物群落的动态响应机制，发现10 μM Cd处理虽不影响小麦生长，却使籽粒镉含量激增20倍，并通过多组学技术鉴定出关键微生物调控网络。

研究采用16S rRNA和ITS2高通量测序分析根际微生物组成，结合PICRUSt功能预测和共现网络分析。结果显示：细菌多样性指数（PD whole tree、ACE）显著降低，而真菌保持稳定；鉴定出45个Cd特异性细菌OTUs（主要属Proteobacteria和Actinobacteria）和2个Ascomycota真菌OTUs；KEGG分析显示Cd胁迫显著富集"环境信息处理"和"人类疾病"通路；网络分析揭示Acidobacteria、Nitrospirae和Chloroflexi构成核心菌群。

研究结果部分：
3.1 镉处理对小麦产量的影响
通过盆栽实验证实10 μM Cd处理虽未影响小麦分蘖数和百粒重，但使籽粒镉含量达0.2 mg·kg^-1，土壤各层镉浓度显著升高。

3.2 根际微生物群落变化
PCoA分析显示Cd处理显著改变细菌群落结构（R²=0.2703），共鉴定1682个细菌OTUs，其中45个为Cd特异性；真菌仅鉴定168个OTUs，Cd特异性OTUs仅2个。LEfSe分析发现c_Sphingobacteriia等3类细菌标志物。

3.3 差异响应微生物
细菌在门/纲水平呈现显著差异（如BRC1门、Sphingobacteriia纲），而真菌仅在Pleosporales目存在差异。Alpha多样性指数证实细菌多样性受Cd显著抑制。

3.4 细菌功能与互作网络
PICRUSt预测显示Cd处理上调"环境信息处理"功能，下调"代谢"通路。共现网络揭示Cd处理使细菌互作节点增加40%，核心菌群涉及Cd钝化相关类群。

3.5 系统发育分析
构建22个优势菌属（如Sinorhizobium、Agrobacterium）的系统发育树，显示Proteobacteria为最丰富门类。

讨论部分强调：低浓度Cd通过"微生物筛选-功能重塑-网络重构"三级响应机制调控根际微环境。Proteobacteria和Actinobacteria作为生物标志物可指示Cd污染，而核心菌群构成的复杂网络可能是小麦适应镉胁迫的关键。该研究为开发微生物菌剂降低谷物镉积累提供理论依据，对保障粮食安全具有重要实践价值。