《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Differential regulatory mechanisms of selenium absorption and transport by co-inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi and
Rhizobium in soybean under different selenite levels
Jiao Li|Shenghao He|Xinyao Jin|Mukesh Kumar Awasthi|Jixue Zang|Wenjing Xing|Hongwei Jiang|Zeyang Bai|Yuexuan Ma|Zhao Jiang|Ying Zhang
中国东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨，150030
摘要
硒（Se）是一种有益的微量元素，其缺乏和毒性之间的范围很窄。然而，共接种AMF和根瘤菌如何在不同硒酸盐水平下影响土壤中硒的分布以及大豆对硒的吸收和运输机制尚不清楚。本实验设置了七种硒酸盐浓度（0、0.25、0.5、1、2.5、5和10 mg·kg?1），并采用了四种接种处理：不接种菌根、接种Funneliformis mosseae、接种根瘤菌，以及同时接种Funneliformis mosseae和根瘤菌。研究发现，与不接种菌根的处理相比，共接种处理使可利用硒的浓度增加了28.27%-56.69%，从而在低硒酸盐浓度（≤1 mg·kg?1）下提高了根部的硒含量。此外，共接种处理还增加了根瘤菌的数量（TF）13.12%-30.89%，促进了硒向地上部分的运输，并提高了地上部分的硒含量和硒的利用效率。值得注意的是，相关性分析显示，土壤中可利用的硒与某些土壤微生物类群（如Ensifer和Flavisolibacter）以及GRSP呈正相关，而与有机质中的硒（OM-Se）和pH值呈负相关。然而，在高硒酸盐浓度（>1 mg·kg?1）下，共接种处理虽然增加了根部的硒含量，但降低了地上部分的硒含量7.01%-19.09%，从而导致地上部分与根部的硒含量比（BCF shoot/roots）显著下降。此外，共接种处理激活了根部的抗氧化系统，并调节了脂肪酸和黄酮类物质的水平，这些变化与耐硒微生物类群（如Arthrobacter和Lysobacter）的相对丰度有关。综上所述，这些反应共同缓解了高硒酸盐带来的压力。本研究揭示了土壤微生物及其代谢产物在硒积累和毒性中的作用，为提高大豆中硒的生物利用度提供了依据。
引言
硒（Se）是人体健康所必需的微量元素[1]。最近的研究发现，由于土壤中硒分布不均，中国某些地区存在硒缺乏的风险[2][3]。饮食中硒摄入不足会导致严重的地方性疾病，如克山病。然而，人体高效且安全地利用环境中的无机硒的能力有限，通常需要通过食物链进行生物转化[4][5]。在这种背景下，在硒缺乏的地区，对主要作物进行硒强化是一种实用且有效的策略，可以将硒摄入量提高到符合生理需求的推荐范围[6][7]。然而，硒的安全窗口较窄，过量的硒输入可能导致土壤中硒的积累和植物中毒，从而增加通过食物链过量暴露的风险[8][9]。研究表明，硒的毒性会引发氧化应激和基因毒性效应，包括DNA损伤和有丝分裂紊乱[10][11]。因此，阐明作物对不同硒浓度的剂量依赖性反应对于深入理解调控植物硒吸收和转运的分子机制至关重要。
在大豆这种在中国乃至全球都是重要的植物蛋白和食用油来源的作物中，能够有效地将环境中的无机硒转化为有机形式并储存在植物蛋白质中。因此，大豆被认为是进行硒强化的理想作物[12]。丛枝菌根真菌（AMF）是与超过80%的陆地植物共生的普遍存在的根际微生物，能够增强植物对矿物质营养素（如氮和磷）及微量元素的吸收[13][14]。越来越多的证据表明，AMF会影响植物对硒的吸收和转运[4][15]。然而，相关研究结果存在很大差异，有时甚至相互矛盾。Chen等人[16]报告称，在0.5 mg·kg?1的硒酸盐处理下，接种Funneliformis mosseae或Glomus versiforme可以有效增加稻谷中的硒含量。相比之下，Sun等人[17]报告称，在5 mg·kg?1的硒酸盐添加下，AMF接种会降低玉米中的硒含量。Li等人[15]进一步表明，AMF对植物硒吸收的调控作用可能取决于环境中的硒酸盐浓度。因此，系统地阐明AMF在不同硒酸盐水平下对大豆硒吸收和转运的调控机制至关重要。
根瘤菌是与豆科植物形成互利共生关系的土壤细菌，通过形成根瘤实现生物固氮[19]。它们将大气中的氮转化为固定氮，为植物的生长和发育提供必需的氮素[20]。在自然和农业生态系统中，AMF和根瘤菌经常共存并相互作用，形成三方共生系统，在调节植物生长和养分获取中发挥关键作用[21]。Wang等人[22]证明，根瘤菌能够增强AMF的定殖能力，而AMF广泛的菌丝网络则促进了豆科植物的根瘤形成。此外，AMF和根瘤菌的共接种协同促进了大豆的生物量积累和养分吸收，从而提高了产量和品质[23][24]。尽管取得了这些进展，但大多数研究仍集中在单独接种AMF或根瘤菌对植物生长和主要养分吸收的影响上，而它们在不同硒水平下对硒吸收和转运的共同影响仍知之甚少。特别是关于土壤微生物群落、代谢产物以及共接种条件下植物硒含量变化之间的相互作用的研究仍然有限。
总结来说，先前的研究表明AMF可以促进大多数作物对硒的吸收，但大多数研究仅关注单独接种AMF或单独的硒处理（如低剂量补充或高剂量胁迫处理）。然而，AMF和根瘤菌共接种在不同硒浓度下对大豆硒吸收和转运的调控机制尚未得到充分研究。因此，我们假设共接种以剂量依赖的方式调节大豆中的硒吸收和转运。具体来说，我们提出：（i）在低硒条件下，共接种可能影响土壤中硒的分布和根部的硒吸收；（ii）在高硒水平下，共接种可能影响大豆内部硒的转运；（iii）这些效应与土壤微生物群落组成和代谢谱的变化有关。为了验证这些假设，我们比较了不同接种处理在不同硒浓度梯度下的硒吸收和转运、土壤微生物群落及代谢组学特征。
实验材料
实验土壤采用小型手工铲子从东北农业大学周围的农田中采集，按照五点采样方法进行采样。采集表层土壤（0-20 cm），混合后放入无菌土壤采样袋中，然后运输到实验室并在室温下保存。到达实验室后，将土壤通过2毫米筛网筛选，121°C下高压灭菌120分钟，风干一周后用于盆栽实验。
单菌根接种和根瘤菌共接种对不同硒酸盐水平下大豆菌根定殖率、生物量和磷含量的影响
接种Funneliformis mosseae的大豆和根瘤菌共接种的大豆的菌根定殖率在50%到75%之间（表S4）。相比之下，不接种菌根的大豆和仅接种根瘤菌的大豆未观察到菌根定殖现象。与单独接种Funneliformis mosseae相比，根瘤菌共接种显著提高了大豆根部的菌根定殖率（p < 0.05），表明根瘤菌和AMF之间存在正向相互作用。同样，新鲜根瘤的重量也有所增加。
结论
本研究发现，硒酸盐以剂量依赖的方式影响大豆的生长：在低浓度（≤1 mg·kg?1）下促进生长，而在高浓度（>1 mg·kg?1）下则抑制生长。值得注意的是，共接种处理对大豆中硒的吸收和转运也表现出剂量依赖的双重效应。在低硒条件下，共接种提高了硒的生物利用度，从而促进了根部对硒的吸收并促进了硒向地上部分的转运。
利益声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
作者贡献声明
Xinyao Jin：撰写——审稿与编辑、数据分析。
Shenghao He：撰写——审稿与编辑、方法学设计、数据分析。
Jiao Li：撰写——初稿撰写、数据可视化、方法学设计、研究实施、概念化。
Yuexuan Ma：资源协调。
Zeyang Bai：资源协调。
Ying Zhang：项目监督、资源协调、资金争取。
Zhao Jiang：资源协调。
Jixue Zang：研究实施、数据分析。
Mukesh Kumar Awasthi：撰写——审稿。
致谢
本工作得到了中国博士后研究基金会（2024MD763931）、黑龙江省博士后科学基金会（LBH-Z24074）、国家自然科学基金（42407038）、国家重点研发计划（2023YFD2300100和2023YFD1501000）、东北农业大学人才引进计划（54960212）以及黑龙江省土壤保护与修复重点实验室的支持。
