解磷伯克霍尔德氏菌YM3与钙镁磷肥协同调控小麦Cd吸收转运的分子机制与生理响应

本研究针对农田Cd污染导致小麦生长抑制及食品安全风险问题，通过联合应用解磷细菌Burkholderia sp. YM3与钙镁磷肥（CMP），系统探究其对小麦幼苗Cd毒害缓解效应及分子调控机制。研究发现YM3+CMP组合处理可高效溶解CMP释放Ca、Mg、P营养元素，显著降低水体中Cd含量（88.79–90.55%），并通过下调金属转运基因TaLCT1/TaNramp5表达和上调磷转运基因TaPHT1.2/TaPHT1.9表达，同步减少小麦地上部（51.39–54.80%）和根部（49.73–50.34%）Cd积累，同时增强磷吸收与抗逆性。该研究为微生物-矿物联合修复Cd污染提供了新策略，对保障粮食安全具有重要实践意义。

　　

随着工农业快速发展，农田土壤重金属污染问题日益严峻，其中镉（Cd）因其高毒性、易迁移性和生物富集性，成为威胁农作物安全生产的首要污染物。小麦作为全球主要粮食作物，极易通过根系吸收土壤中的Cd并转运至籽粒，进而通过食物链危害人体健康。近年来多地出现的“镉麦”事件引发广泛关注，如何有效降低小麦对Cd的吸收积累已成为农业与环境领域的研究热点。

传统修复技术如化学钝化、微生物修复等虽有一定效果，但单一方法往往存在效率有限、成本高昂或环境风险等问题。磷酸盐类钝化剂（如钙镁磷肥，CMP）可通过沉淀作用固定Cd，但其溶解度和养分释放效率较低；而解磷细菌（PSB）能活化土壤难溶性磷，同时通过吸附、络合等作用减少Cd生物有效性，二者联合应用有望发挥协同增效作用。然而，目前关于PSB与CMP联合调控小麦Cd吸收转运的分子机制尚不明确，尤其对关键金属转运蛋白基因（如LCT1、Nramp5、ZIP家族）和磷转运蛋白基因（PHT1家族）的调控网络缺乏系统解析。

针对上述问题，安徽农业大学生命科学学院的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表了最新研究成果，通过溶液培养与分子生物学技术相结合的手段，深入探究了解磷伯克霍尔德氏菌（Burkholderia sp. YM3）与CMP联合应用对小麦幼苗生长生理、Cd积累转运及基因表达的调控效应，为微生物-矿物联合修复Cd污染提供了理论依据和技术支撑。

本研究主要采用以下技术方法：1）细菌溶解性能实验：通过测定YM3在以CMP或Ca₃(PO₄)₂为唯一磷源培养基中释放的可溶性P、Ca、Mg含量，评估其溶磷能力；2）Cd去除能力检测：采用原子吸收光谱法测定YM3、CMP及二者组合在含Cd液体培养基中的Cd去除率；3）水培实验：以小麦品种扬麦158为材料，设置不同Cd浓度（0、20、40 mg/L）与处理（YM3、CMP、YM3+CMP），培养20天后测定生长指标与生理参数；4）Cd/P含量分析：通过石墨炉原子吸收光谱法与钼锑抗比色法分别测定植株Cd与磷含量；5）基因表达分析：采用qRT-PCR技术检测根系中金属转运基因（TaLCT1、TaNramp5、TaZIP3）和磷转运基因（TaPHT1.2、TaPHT1.9）的表达水平。

3.1 菌株对CMP或Ca₃(PO₄)₂的溶解效果

YM3能有效溶解CMP和Ca₃(PO₄)₂，释放可溶性P（最高达205.90 mg/L）、Ca（最高473.71 mg/L）和Mg（增加7.88–23.30%），表明其通过分泌有机酸等代谢产物活化矿物养分。

3.2 Cd去除能力

YM3+CMP组合表现出最强的Cd固定能力，在初始Cd浓度为1 mg/L和10 mg/L条件下，Cd去除率分别达88.79%和90.55%，显著高于单一处理，归因于微生物吸附与矿物沉淀的协同作用。

3.3 小麦幼苗生长与生理参数

Cd胁迫显著抑制小麦生长（株高、生物量降低）、引发氧化损伤（MDA、H₂O₂、脯氨酸积累）及抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性升高。YM3+CMP处理最有效缓解Cd毒性，使MDA、脯氨酸和H₂O₂含量分别降低11.16–51.85%、44.04–49.33%和44.94–61.93%，同时提高根活力（77.85–183.14%）和叶绿素含量（40.79–78.75%）。

3.4 Cd含量、BF、TF及磷吸收

YM3+CMP处理使小麦地上部和根部Cd含量分别降低51.39–54.80%和49.73–50.34%，生物富集系数（BF）和转运因子（TF）同步下降。此外，该处理显著提升植株磷吸收量（尤其是根部），表明在抑制Cd吸收的同时促进营养元素获取。

3.5 Cd与磷转运基因的相对表达

Cd胁迫上调Cd转运基因TaLCT1和TaNramp5表达，而下调Zn转运基因TaZIP3及磷转运基因TaPHT1.2/TaPHT1.9表达。YM3+CMP处理逆转这一趋势，显著抑制TaLCT1/TaNramp5表达，促进TaZIP3和TaPHT1.2/TaPHT1.9表达，从分子水平证实其调控Cd与磷吸收转运的双重功能。

3.6 相关性分析

Cd含量与TaLCT1/TaNramp5表达呈正相关，与磷吸收及TaZIP3表达呈负相关；磷转运基因与磷浓度显著正相关，揭示Cd-P拮抗及基因互作网络。

本研究系统解析了YM3与CMP联合应用的协同机制：YM3通过溶解CMP释放Ca、Mg、P等营养元素，直接提供植物生长所需养分；同时通过微生物吸附、胞外沉淀及诱导Cd-P共沉淀作用降低Cd生物有效性；更重要的是，通过调控金属转运基因（抑制TaLCT1/TaNramp5、促进TaZIP3）和磷转运基因（上调TaPHT1.2/TaPHT1.9）表达，双重抑制Cd吸收转运并增强磷获取效率。

该研究的创新性在于将微生物修复与矿物钝化技术有机结合，从生理响应与分子调控层面阐明了协同减Cd增磷的机制，为开发绿色高效的农田Cd污染修复技术提供了新思路。未来需进一步开展田间试验验证其实际应用潜力，并深入探究根际微生态过程及有机酸-金属络合机制。