砷超富集植物蜈蚣草根际微生物组-根系分泌物协同机制：砷形态转化与多元素代谢耦合驱动修复效率

本研究针对砷污染土壤修复效率受限的难题，聚焦超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata)的根际微生态机制。通过多组学分析揭示了44个核心细菌和10个核心真菌类群构成的遗传保守微生物组，其通过砷甲基化(AS3MT)和还原(arsC)功能基因与碳固定(porA)、硫氧化(sseA)等代谢途径耦合，形成"砷-多元素循环"协同网络。研究发现L-苯丙氨酸和柠檬酸等根系分泌物可特异性招募携带arsC基因的鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)，促进砷活化与解毒。该成果为定向调控根际微生态提升植物修复效率提供了理论和技术支撑。

　　

砷污染已成为全球性环境问题，传统物理化学修复方法成本高昂且易造成二次污染。植物修复技术因其环境友好特性备受关注，其中蜈蚣草(Pteris vittata)作为砷超富集植物的代表，其修复效率却受制于生物量小和环境敏感性。近年研究发现，根际微生物在砷活化与植物吸收过程中扮演关键角色，但微生物组装配规律及其与根系分泌物的互作机制尚不明确，特别是在不同砷浓度梯度下的动态响应更缺乏系统研究。

西北农林科技大学资源环境学院的研究人员通过多土壤类型对比实验，结合宏基因组学和代谢组学技术，揭示了蜈蚣草根际核心微生物组的装配规律及其驱动砷超富集的分子机制。研究发现，蜈蚣草通过"遗传保守-环境适应"的双重调控策略维持修复效率：在低砷条件下依赖随机过程装配微生物群落，而在高砷(200 mg/kg)胁迫下转为确定性过程，通过增强真菌网络稳定性（平均连接度提升27%）维持功能。相关成果发表在《Microbial Ecology》期刊。

研究采用三种典型土壤（陕西黄土、云南红壤、广西黄棕壤）进行盆栽实验，设置0、40、200 mg/kg三个砷处理梯度。通过原子荧光光谱测定砷形态，利用Illumina NovaSeq和HiSeq平台分别进行16S rRNA/ITS扩增子测序和全基因组鸟枪法宏基因组测序，结合LC-MS/MS广靶代谢组学分析根系分泌物。采用中性群落模型评估微生物装配机制，通过Gephi构建共现网络识别关键类群。

生长响应与砷积累特征
蜈蚣草生物量呈现砷浓度依赖性变化，200 mg/kg处理下云南和广西土壤中地上部生物量显著增加（p<0.05）。砷主要以As(III)形态在叶柄中富集（最高911.50 mg/kg），而在根部则以As(V)为主，证实了砷在转运过程中的还原转化。值得注意的是，40 mg/kg处理下生物富集系数(BF)达到峰值（云南土壤21.02，广西土壤32.94），表明中等砷浓度最有利于活化吸收。

核心微生物组的装配规律
研究鉴定出44个细菌和10个真菌属组成的遗传保守核心微生物群，包括鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)、纤维弧菌(Cellvibrio)等细菌以及被孢霉(Mortierella)等真菌。中性模型显示，砷浓度升高使随机过程贡献率从58.8%（对照）降至37.8%（高砷），表明砷胁迫强化了确定性选择。共现网络分析揭示，高砷环境下细菌网络复杂度降低而真菌网络稳定性增强，其中子囊菌门(Ascomycota)成为关键枢纽类群。

功能基因与代谢耦合
宏基因组分析发现砷甲基转移酶基因(AS3MT)和砷还原基因(arsC)丰度最高，其携带菌株如鞘氨醇单胞菌与碳固定基因(porA)、有机磷矿化基因(phnP)呈显著正相关（R²>0.8）。这种"砷-碳-磷"代谢耦合促进了砷的活化，而硫氧化基因(sseA)与砷氧化基因(aioB)的拮抗作用则揭示了元素循环的复杂调控网络。

根系分泌物的调控作用
代谢组学鉴定出1089种分泌物，其中L-苯丙氨酸（云南土壤增加72.26%）和柠檬酸（广西土壤增加2.83倍）等高丰度有机物可特异性招募功能微生物。相关性分析显示，异土木香内酯和鞘氨醇等物质与携带arsC基因的鞘氨醇单胞菌显著相关（p<0.01），证实了植物通过化学信号定向调控微生物组的机制。

该研究首次系统阐明了蜈蚣草根际"微生物-分泌物-砷"三维互作网络，提出了多元素代谢耦合驱动砷超富集的新机制。发现的中等砷浓度(40 mg/kg)最优修复窗口和核心微生物组调控策略，为构建针对性根际微生态工程技术提供了理论依据。研究建立的遗传保守核心微生物库和功能基因标记体系，不仅适用于砷污染修复，也为其他重金属污染植物修复研究提供了范式参考。特别值得注意的是，真菌网络在高砷环境下的稳定性维持机制，为极端环境生物修复提供了新的研究方向。