生物炭调控棉花蕾期Cd-Pb-As复合胁迫耐受性的多组学机制及其根际微生物群落重塑

针对重金属复合污染严重威胁棉花生长的问题，湖南农业大学团队通过整合转录组、宏基因组和生理分析，揭示生物炭(10 g·kg-1)通过调节金属转运蛋白(ABC/ZIP)、抗氧化系统及光合相关基因表达，降低Cd/Pb/As吸收量8.58-36.19%，促进Proteobacteria等有益菌群增殖，为重金属污染农田修复提供理论依据。

　　

随着工业活动加剧，土壤重金属污染已成为全球性环境问题。镉(Cd)、铅(Pb)和砷(As)等重金属通过采矿、化肥滥用等途径在农田中积累，不仅导致作物减产，还通过食物链威胁人类健康。棉花作为重要经济作物，虽具有一定重金属耐受性，但在蕾期生长发育阶段对复合污染尤为敏感。传统修复方法成本高昂且易破坏土壤生态，而生物炭因其多孔结构和丰富官能团，展现出良好的重金属固定化潜力。然而，生物炭如何通过分子-微生物互作调控棉花蕾期重金属耐受性，仍是亟待破解的科学难题。

湖南农业大学农学院的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表的最新研究中，采用室内盆栽试验，以重度污染土壤(Cd 4.46 mg·kg^-1、Pb 1980 mg·kg^-1、As 375 mg·kg^-1)为基质，设置生物炭处理组(10 g·kg^-1)与对照组，通过生理指标测定、RNA-seq转录组分析、ICP-MS重金属检测及宏基因组测序等技术，系统解析了生物炭的调控机制。

生物炭促进棉花生长及光合性能

研究发现生物炭使棉花现蕾提前2天，株高增加20.27%，根体积扩大44.80%。通过Li-Cor 6800光合仪测定显示，处理组净光合速率(Pn)提升26.72%，PSII实际光化学效率(ΦPSII)增加15.82%，而光合相关基因PsbP/PsbQ/PetJ表达下调，表明生物炭主要通过改善外部环境而非基因表达来增强光合作用。

抗氧化系统与渗透调节

生物炭处理使超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性分别提高18.47%和70.36%，丙二醛(MDA)含量降低31.47%。转录组分析发现，精氨酸代谢途径中ADC/SPDS基因显著上调，而脯氨酸脱氢酶(POX)下调，促进渗透调节物质积累。

重金属转运与分布特征

ICP-MS检测显示生物炭使根系Cd/Pb吸收量降低8.58-15.62%，茎部Pb/As含量减少26.44-32.46%。差异基因分析揭示ABCG亚家族和ZIP转运蛋白基因表达上调，可能通过离子外排机制减少重金属向地上部转运。

微生物群落重构

宏基因组数据显示，生物炭使根际Proteobacteria/Actinobacteria相对丰度增加，而Acidobacteria降低49.59%。LEfSe分析鉴定出Pseudarthrobacter/Micromonospora等8个标志性菌属，这些微生物可能通过分泌铁载体等物质协助重金属固定化。

分子调控网络

KEGG富集分析发现"内质网蛋白加工"和"萜类骨架合成"通路显著激活。生物炭上调CCoAOMT/CAD等木质素合成基因2.1-3.8倍，同时下调热激蛋白HSP70/HSP90表达，表明其通过强化细胞壁屏障和减轻蛋白错误折叠来增强耐受性。

该研究首次从多组学角度阐明生物炭缓解棉花蕾期重金属复合胁迫的协同机制：物理吸附减少重金属生物有效性→调控转运蛋白基因表达→激活抗氧化防御系统→重塑根际微生态。研究结果为重金属污染农田的安全利用提供了创新性解决方案，10 g·kg^-1的生物炭施用剂量对实际农业生产具有重要指导价值。特别是发现生物炭通过下调CRY/DELLA基因使棉花提前现蕾，这一发现为重金属胁迫下作物生育期调控提供了新靶点。研究揭示的微生物-植物互作模式，也为开发生物炭-微生物联合修复技术奠定了理论基础。