《Journal of Advanced Research》：Nematode gut microbiota confers cadmium tolerance through microbial-dependent activation of detoxification and innate immune pathways
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土壤重金属污染尤其是镉（Cd）污染严重威胁生态系统健康与农业可持续性。研究人员旨在探究模式土壤线虫秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）在二价镉（Cd(II)）胁迫下的肠道微生物组响应，鉴定参与金属解毒的关键细菌类群，并阐明微生物介导宿主
土壤重金属污染尤其是镉（Cd）污染严重威胁生态系统健康与农业可持续性。研究人员旨在探究模式土壤线虫秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）在二价镉（Cd(II)）胁迫下的肠道微生物组响应，鉴定参与金属解毒的关键细菌类群，并阐明微生物介导宿主抗性的潜在机制。研究人员采用整合多组学方法，结合16S rRNA基因测序、转录组学与培养组学，比较了线虫肠道微生物组与土壤微生物组的结构与功能差异。从分离的100个菌落中，研究人员鉴定出假格里永布鲁氏菌（Brucella pseudogrignonensis，原Ochrobactrum属）为核心肠道共生菌，具有高Cd(II)耐受性。定植实验表明，该菌能在Cd(II)暴露下成功定殖于C. elegans肠道，显著提升宿主存活率、繁殖力与生长表现。转录组分析鉴定出1929个细菌-镉互作基因，显著富集于谷胱甘肽代谢、细胞色素P450通路及溶酶体功能。机制上，活菌通过预激活宿主免疫（如clec-67、lys-2基因）并启动两阶段防御程序发挥作用：第一阶段涉及溶酶体通路激活与基础免疫启动；第二阶段由转录因子DAF-16与SKN-1协调，通过谷胱甘肽S-转移酶（GST，如gst-4、gst-5和gst-6基因）介导的解毒作用实现，其中谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性在Cd(II)胁迫下提升213%，同时维持活性氧（ROS）水平稳定。研究表明，B. pseudogrignonensis通过协同激活解毒与免疫通路增强宿主Cd(II)抗性，为理解土壤动物微生物介导的重金属耐受机制提供了新见解，并确定该菌株为镉污染土壤生物修复的潜力候选功能微生物。
本研究针对全球土壤重金属污染中镉（Cd）超标率高、生态风险突出的问题，以模式土壤线虫秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）及其肠道微生物组为对象，发表于《Journal of Advanced Research》。研究旨在解析土壤动物与其共生微生物协同应对镉胁迫的机制，弥补当前对肠道微生物调控宿主重金属抗性分子机制系统性研究的不足，为开发基于功能微生物的土壤生物修复技术提供理论依据。
研究人员主要采用以下关键技术方法：采集中国北方保定市受工业废水灌溉影响、具有明确镉浓度梯度的12个农田土壤样点样本；通过改良贝尔曼漏斗法分离提取土壤线虫，结合16S rRNA基因扩增子测序对比分析土壤与线虫肠道微生物组结构；利用含Cd(II)培养基从线虫肠道分离筛选耐镉菌株，通过全基因组测序鉴定核心菌株假格里永布鲁氏菌（Brucella pseudogrignonensis）；构建无菌化处理后的线虫活菌/热灭活菌喂养体系，结合转录组学、定量PCR（qRT-PCR）、抗氧化酶活性检测及生理指标测定，系统评估该菌株对宿主镉耐受性的影响及分子机制。
研究结果如下：
线虫肠道与土壤微生物组的比较
研究人员发现线虫肠道微生物组多样性（香农指数）显著低于土壤，但群落稳定性（平均变异度AVD）更高。群落组装以确定性过程（宿主选择，R2=0.480）为主，不同于土壤的随机性过程主导。肠道群落以变形菌门（Proteobacteria）为主，假单胞菌科（Pseudomonadaceae）和鞘氨醇单胞菌科（Sphingomonadaceae）为核心类群。表型预测显示肠道微生物组富集胁迫耐受特征，功能分析提示谷胱甘肽S-转移酶（GST）在肠道中显著富集。
重金属浓度梯度下的线虫肠道微生物组
尽管高镉污染下肠道微生物α多样性略有下降，但其群落结构在不同污染梯度间保持稳定，60%的分类单元为共有核心类群，假单胞菌目（Pseudomonadales）等核心菌群相对丰度随污染程度变化呈现保守性。功能预测显示仅GST丰度随污染程度降低而递减，表明核心微生物组在镉胁迫下兼具结构稳定性与功能可塑性。
线虫肠道细菌的分离、鉴定与镉耐受性
从重度污染位点样本中，研究人员分离获得一株高镉耐受性菌株，经全长16S rRNA基因测序与全基因组分析鉴定为假格里永布鲁氏菌（B. pseudogrignonensis）。该菌作为天然肠道共生菌，可在无镉胁迫下支持线虫正常生长存活。
B. pseudogrignonensis对C. elegans生长与镉耐受性的影响
研究人员选用亚致死浓度（60 μM）Cd(II)进行实验。结果表明，活菌能稳定定殖于线虫肠道，且在镉胁迫下定殖速度加快。与热灭活菌组相比，喂食活菌的线虫在镉暴露下存活率、寿命、繁殖力（提升65.3%）及体型发育均显著改善，尽管其体内镉积累量更高。
B. pseudogrignonensis对线虫转录组的影响
转录组分析鉴定出1929个细菌-镉互作基因。这些基因显著富集于谷胱甘肽代谢、细胞色素P450通路等解毒相关通路。与喂食热灭活菌相比，活菌定植显著上调了金属响应基因（如cdr-1、cdr-2）、抗氧化基因（如sod-3、gst-4）、免疫基因（如clec-67、lys-2）及长寿调控因子（daf-16、skn-1）的表达。
B. pseudogrignonensis介导线虫镉耐受的通路
机制研究表明，活菌通过两阶段防御程序发挥作用：第一阶段为准备期，活菌预激活宿主先天免疫与应激通路，建立基础防御状态；第二阶段为协同解毒期，在镉暴露下协同激活谷胱甘肽代谢与抗氧化通路，其中谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性提升213%，同时维持活性氧（ROS）水平稳定，从而增强宿主生理机能。
讨论部分指出，线虫肠道微生物组虽多样性较低，但通过宿主选择形成稳定的核心类群（如变形菌门），其结构稳定性依赖于核心菌群的功能协同而非单纯多样性。B. pseudogrignonensis作为核心共生菌，通过胞外吸附、胞内螯合及激活宿主免疫-解毒网络等多重机制缓解镉毒性。研究提出的两阶段防御模型（免疫启动-协同解毒）揭示了宿主-微生物互作应对环境胁迫的新范式。
研究结论确认，土壤线虫肠道核心共生菌B. pseudogrignonensis通过激活两阶段防御程序增强宿主镉耐受性：第一阶段通过溶酶体途径激活与基础免疫启动（clec-67、lys-2基因上调）建立防御准备态；第二阶段由转录因子DAF-16与SKN-1协调，通过谷胱甘肽S-转移酶（GST，gst-4、gst-5、gst-6基因）介导的解毒作用及GSH-Px活性激增（213%）实现协同解毒，最终显著提升宿主在镉胁迫下的存活、繁殖（65.3%增幅）与生长。该研究为土壤动物微生物介导的重金属耐受机制提供了机理见解，并将B. pseudogrignonensis确定为镉污染土壤生物修复的潜力候选功能菌株。
