内生菌Enterobacter ludwigii S15通过多胺生物合成与金属转运蛋白调控降低烟草镉积累并促进生长的机制研究

为解决烟草镉(Cd)污染导致的作物安全与健康风险问题，研究人员开展了一项关于内生菌Enterobacter ludwigii S15调控多胺(PA)生物合成与金属转运蛋白(NtZIP/NtNRAMP)表达的主题研究。结果表明，S15通过下调Cd转运基因、增强抗氧化酶活性及上调ADC/SAMDC等PA合成基因，显著降低烟草Cd积累并促进生长，为Cd污染农田的生物修复提供了新策略。

　　

烟草作为全球重要经济作物，其叶片对镉(Cd)的强富集特性已成为威胁人类健康的"隐形杀手"。吸烟时，烟草中10-20%的Cd通过主流烟雾直接进入人体，与呼吸系统疾病、癌症等严重健康问题密切相关。尽管化学修复和转基因技术已被尝试用于降低烟草Cd积累，但这些方法存在生态风险或技术瓶颈。在此背景下，利用重金属(HM)固定化细菌——尤其是能与植物形成共生关系的内生菌——成为最具前景的解决方案之一。然而，内生菌如何通过分子机制调控宿主Cd吸收与分配，特别是多胺(PA)生物合成途径与金属转运蛋白的协同作用，仍是未解之谜。

来自重庆市的科研团队在《Plant Physiology and Biochemistry》发表的研究，首次揭示了内生菌Enterobacter ludwigii S15通过"双引擎机制"缓解Cd毒性的全过程。该团队从Cd污染土壤的玉米根系中分离出S15菌株，通过盆栽实验结合分子生物学技术，系统解析了其降低烟草Cd积累、促进生长的多重机制。关键技术包括：Cd耐受性筛选、植物促生长(PGP)特性定量分析、亚细胞Cd分布检测、光合色素测定，以及qPCR分析金属转运蛋白基因(NtZIP1/2/4、NtNRAMP3)和PA合成基因(ADC、SAMDC、SPD synt)表达。

【Isolation and cultivations of HM-tolerant plant growth-promoting bacteria】
研究团队从湖南冷水江市矿区玉米根系分离出19株Cd耐受菌，通过精氨酸脱羧酶活性及PGP特性筛选，最终获得具有最强Cd固定能力的S15菌株。土壤实验显示，S15可使DTPA-Cd降低42%，为后续机制研究奠定基础。

【Effects of Enterobacter ludwigii S15 on tobacco growth】
在3和5 mg kg^-1 Cd胁迫下，S15定植使烟草生物量显著增加。机制上，S15通过调节抗氧化酶系统减轻氧化损伤，同时提高叶绿素含量达35%，改善光合效率。亚细胞分布分析发现，S15促进Cd向细胞壁和液泡区室化，减少胞质游离Cd含量。

【关键分子机制】
qPCR结果显示，S15显著下调Cd转运基因NtZIP1/2/4和NtNRAMP3的表达，同时上调PA合成途径关键基因ADC(精氨酸脱羧酶)、SAMDC(S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶)和SPD synt(亚精胺合成酶)。这种"转运抑制-PA增强"的双重调控，使烟草叶片Cd含量降低52%，而亚精胺含量提升2.3倍。

这项研究不仅阐明了内生菌通过PA-金属转运蛋白网络调控Cd稳态的新机制，更开创性地提出"微生物-植物代谢偶联"的修复理念。特别值得注意的是，S15在3-5 mg kg^-1 Cd浓度范围内的精准调控效果，为实际农田应用提供了剂量参考。作者在讨论中指出，未来结合CRISPR-Cas9技术对PA合成途径进行定向改造，可进一步强化菌株的Cd固定能力。该成果为开发"减Cd增产"的微生物菌剂提供了理论支撑，对保障烟草安全生产及降低吸烟相关健康风险具有双重意义。