《Environmental Technology & Innovation》：Stable core rhizosphere microbiota across the entire wheat growth cycle mitigates cadmium accumulation via reducing rhizosphere cadmium Bioavailiability
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植物发育阶段驱动小麦根际细菌群落的组装。研究人员采用随机森林（Random Forest, RF）模型结合丰度-占有度（abundance–occupancy）方法识别出核心根际微生物组。源自核心微生物组的合成细菌群落（synthetic bacterial
植物发育阶段驱动小麦根际细菌群落的组装。研究人员采用随机森林（Random Forest, RF）模型结合丰度-占有度（abundance–occupancy）方法识别出核心根际微生物组。源自核心微生物组的合成细菌群落（synthetic bacterial communities, SynComs）可降低小麦地上部镉（Cd）积累。SynCom接种通过改变小麦根际土壤中Cd的化学形态，降低了Cd的生物有效性。
土壤镉（Cd）污染是全球性农业环境问题，威胁粮食安全和人体健康。小麦作为中国重要的粮食作物，对Cd具有较强富集倾向，其安全生产亟需绿色高效的修复策略。传统土壤修复技术周期长、成本高且易造成二次退化，利用根际微生物调控Cd生物有效性成为极具潜力的替代途径。然而，以往研究多在单一时间点取样，难以揭示植物全生育期与根际微生物群落的动态互作规律，也未能准确鉴定可稳定定殖并发挥降Cd功能的“核心微生物组”，导致合成菌群（SynComs）设计缺乏生态学基础。为此，研究人员在河北保定采集长期污灌的农田土壤，设置0、1、3 mg kg
-1三个Cd浓度梯度开展小麦盆栽试验，系统解析了根际微生物群落随生育期的演替规律，结合丰度-占有度模型与随机森林（RF）模型鉴定全生育期稳定存在且与有效Cd显著关联的核心菌群，并以这些核心菌株构建SynComs验证其降低小麦Cd积累的效果。研究揭示了全生育期稳定核心根际微生物群通过调控Cd化学形态降低Cd生物有效性、抑制Cd向地上部转运的重要机制，为Cd污染农田的微生物原位修复提供了新策略。
研究人员采用的关键技术方法包括：①半开放根箱（rhizobox）系统结合30 μm尼龙网，实现非破坏性连续采集根际土壤，覆盖播种后7、42、132、147、162、192天六个生育期（其中7天土样作为土体对照）；②16S rRNA基因高通量测序及生物信息学分析，包括OTU聚类、α/β多样性、主坐标分析（PCoA）、PERMANOVA、共现网络、中性群落模型和零模型；③丰度-占有度模型鉴定核心OTU，随机森林回归结合10折交叉验证筛选与有效Cd显著相关的关键微生物；④培养组学从根际土分离可培养细菌，通过16S rRNA基因测序与系统发育分析鉴定菌株；⑤功能平板法测定固氮、溶磷、解钾、产铁载体等促生性状，并测定菌株Cd吸附效率及两两互作类型；⑥采用Tissier五步连续提取法分析根际土壤Cd化学形态，石墨炉原子吸收光谱法测定Cd含量，计算生物富集因子（BAF）和转运因子（TF）。盆栽接种验证在华中农业大学进行，每盆2 kg高Cd土壤。
3.1 不同镉水平土壤中小麦根际镉含量的动态变化
通过连续提取法分析各生育期根际Cd形态，发现初始土壤Cd浓度决定Cd形态基线，可交换态Cd（F1）为主要生物有效态，其含量随Cd浓度升高而增加；F1在苗期至拔节期维持较高，灌浆至成熟期下降，可能与根系吸收和根际微生物活动变化有关。铁锰氧化物结合态Cd（F3）在生长后期上升，而有机质结合态和残渣态相对稳定，表明植物发育可能推动Cd向低有效态转化。
3.2 不同镉浓度土壤中根际微生物群的动态变化
16S rRNA基因测序共获得34,037个OTU，归属于46门126纲；变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidota）为优势菌门。α多样性随生育期动态改变：Chao1指数先降后升，Shannon指数持续升高，Simpson指数下降。PERMANOVA显示生育期显著影响根际群落结构，PCoA清晰区分根际与土体样本；低Cd土壤的时间异质性高于中、高Cd土壤，表明Cd浓度调节了根际效应的时空调度。
3.3 不同镉浓度土壤中根际微生物群的动态演替
共现网络分析显示，高Cd土壤网络包含更多节点和边，拓扑复杂度更高；中Cd土壤正相关比例较高。按生育期构建的网络中，平均度在成熟期最高，模块化在灌浆期达到峰值后下降，负相关比例随生育期逐渐增加。这表明Cd污染扩大网络规模，而生育期驱动网络复杂度递增式提升，二者共同塑造根际微生物互作结构。
3.4 根际土壤细菌群落的组装过程
中性群落模型解释了三类土壤中约92%的群落变异，说明随机过程的重要作用。零模型分析显示群落组装由同质选择（低、中、高Cd下分别占51.2%、49.1%、35.9%）和漂移（37.9%、40.1%、48.7%）共同主导。随Cd浓度升高，同质选择贡献下降，漂移贡献上升，暗示Cd胁迫削弱了植物对根际微生物的确定性筛选能力，使群落组装更趋随机化。
3.5 鉴定与土壤有效Cd高度相关的核心微生物组
丰度-占有度模型在低、中、高Cd土壤中分别鉴定出493、453和389个核心OTU，其中260个为三种土壤共有，主要归属于Proteobacteria、Actinobacteria和Chloroflexi。有效Cd在苗期最高、拔节期显著下降，中后期小幅波动。随机森林模型筛选出7个跨处理与有效Cd稳定相关的OTU，其中OTU1093的相对丰度与有效Cd呈显著负相关，被认定为核心关键菌群。
3.6 Cd相关菌株的分离与功能鉴定
从根际土壤中分离到54株细菌，去冗余后获得37株，其中7株属于稳定核心类群，包含关键OTU1093。促生性状测定显示，多数菌株具有固氮能力，部分具有溶磷或解钾能力，均未检测到产铁载体；菌株Cd吸附效率为11.9%–29.8%。成对互作实验显示，多数核心菌株间存在正交互，而OTU111、OTU101与OTU14575之间存在负交互。这些功能特性支持将核心菌株用于构建SynComs。
3.7 合成菌群接种降低植物镉吸收和转运
将核心菌株按功能互补和互作兼容原则组装为SY1–SY4四种SynComs，并以非接种为对照进行盆栽试验。接种SynComs显著促进小麦生长：地上部鲜重增加24.57%–31.61%，干重增加23.28%–37.46%；根鲜重增加45.01%–114.62%，干重增加23.31%–87.59%。与对照相比，SY1、SY2、SY3、SY4分别使地上部Cd含量降低24.9%、9.7%、16.6%和15.0%，但对根Cd含量无显著影响。接种还降低了地上部BAF和根向地上部的转运因子，其中SY1效果最佳，使根际有效Cd降低64.89%，并促使可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态Cd比例下降，残渣态比例由2%升至11%，表明SynCom通过调控Cd化学形态减少Cd的植物可利用性。
讨论指出，植物生育期是根际群落组装的强驱动因子，Cd污染增强随机过程并削弱植物对微生物的选择能力。基于全生育期核心微生物组设计的SynCom比单菌株或简单混合菌更具生态适应性和功能稳定性；但过度简化的SynCom（如SY4）功能下降，凸显了功能冗余和种间代谢互补的重要性。研究人员也指出，Cd固定化的分子机制及具体代谢产物尚未直接鉴定，未来需结合代谢组和功能基因分析进行深入解析。研究结论可概括为：研究人员鉴定并分离了在小麦全生育期稳定定殖且与根际有效Cd显著相关的核心菌群，并构建了以关键菌株Pontibacter salisaro（OTU1093）为主导的多种合成菌群。盆栽实验证实，SynCom接种可显著促进小麦生长、降低根际Cd生物有效性并抑制Cd向地上部转运；最优SynCom（SY1）使小麦地上部Cd含量降低9.7%–24.9%，根际有效Cd降低64.89%，驱动Cd由高生物有效态向低生物有效态转化。该研究建立了全生育期核心微生物组挖掘与SynCom组装相结合的新型微生物修复框架，为Cd污染农田的安全利用提供了理论支持。但研究仍存在局限：接种效果仅评估至拔节期，未测定籽粒Cd含量，且仅使用一种Cd污染土壤和一个小麦品种，其田间长期效果和普适性仍需进一步验证。
