AMF与PGPR可提升盐角草对重金属污染盐碱土的植物修复效果：代谢重编程与根际微生物群落重构

《Rhizosphere》：AMF and PGPR enhance Suaeda salsa phytoremediation of heavy metals-contaminated saline soils: Metabolic reprogramming and rhizosphere microbiome remodeling

　　摘要：丛枝菌根真菌和植物生长促进根际细菌能够在非生物胁迫条件下提升植物修复效果；然而，它们究竟通过何种代谢与微生物机制增强盐生植物对重金属与盐分共同胁迫的耐受性仍不明确，且针对盐生植物的系统研究也十分少见。本研究通过盆栽实验，探究了在修复受重金属污染的盐碱土时接种丛枝菌根真菌和植物生长促进根际细菌的效果。单独或联合接种这两种微生物后，盐生植物的茎叶与根系干重分别增加了1.41至2.80倍，土壤中的重金属及盐离子浓度有所下降，而这些离子在植物体内的转运效率及在茎叶中的积累量则分别提升了1.90至3.03倍和1.24至2.30倍；同时，植物的抗氧化酶活性得到增强，脯氨酸和丙二醛含量则降低了0.42至0.44倍和0.37至0.57倍。单独或联合接种还调节了植物茎叶与根系中的氨基酸代谢及苯丙素生物合成途径，以及根际土壤中的氨基酸与碳水化合物代谢途径——具体表现为上调了茎叶中的L-苯丙氨酸含量（1.13至1.14倍）和根系中的松油醛含量（1.06至1.10倍），下调了根际土壤中的蔗糖含量（0.94至0.97倍）。此外，这种接种方式还改变了根际微生物群落结构，丰富了关键类群（拟杆菌门、变形菌门和子囊菌门），并上调了多种功能基因的表达水平，包括编码α-淀粉酶的amyA基因、编码羟胺脱氢酶的hao基因、编码氨单加氧酶C亚基的amoC基因、编码酸性磷酸酶的aphA基因以及编码有机砷转运蛋白的ArsP基因。根系的氨基酸与苯丙素既可直接作用于微生物群落，也可通过影响根际的氨基酸与碳水化合物间接发挥作用，从而形成植物-土壤-微生物群落的协同调控机制，进一步提升植物修复效率。与单独接种相比，联合接种还能进一步调节植物茎叶的甘油磷脂代谢与根系的植物激素信号传导，更强烈地调控微生物群落与功能基因，增强三者之间的耦合效应，进而实现更优异的修复效果。本盆栽实验为利用微生物提升受重金属污染盐碱土的植物修复效率提供了进一步证据。

引言：在世界部分地区，土壤同时面临重金属与盐分的双重胁迫，这类地区多分布于干旱半干旱地区的矿区与农田，以及沿海地区的盐沼和滨海平原（Wang等，2023a）。在中国，受重金属污染的盐碱土分布极为广泛。特别是在北方矿区，地面沉降会导致盐水滞留，蒸发后会留下盐分，加之矿石加工过程中使用的硫酸盐等试剂会进一步增加盐分输入，使得土壤同时遭受重金属与盐分的双重胁迫（Liu等，2023a）。例如，在新疆喀什的一个铅锌矿区，大面积土壤受到污染，其中锌和镉的污染程度严重，铅的污染程度则处于严重到中度之间（Lu等，2020）。内蒙古包头的稀土尾矿周边，土壤中镉、砷、铅、锌的污染程度十分严重，同时还存在中度到重度的盐渍化现象（Deng等，2025）。宁夏的王洼煤矸石堆放场，土壤的总盐分含量超过1.5克/千克，铅、锌、砷的含量也均高于宁夏当地土壤的背景值（Zhang等，2024）。土壤中过量的重金属（如铅、镉、砷、锌、铜）和盐分（如钠、钙）会破坏土壤微生物群落，抑制植物生长，而且重金属还会通过食物链对人类健康造成威胁（Angon等，2024；Xu等，2020）。与此同时，盐分会影响重金属的存在形态，提高其移动性，促使重金属从植物根部向茎叶转移，进一步加重植物的胁迫与损伤（Shang等，2020）。因此，修复受重金属污染的盐碱土具有重要的现实意义。

植物修复被认为是一种经济、环保且可持续的生物修复技术，而盐生植物被视为修复这类土壤的理想材料（Liang等，2017）。盐角草是盐碱土中的先锋盐生植物，它能够在盐分浓度超过20克/千克的环境中正常生长，同时对多种重金属（铅、镉、砷、锌、铜）具有很强的耐受性（Shang等，2020）。正因如此，盐角草被认为具有作为植物提取剂和稳定剂修复受重金属污染盐碱土的潜力（Shang等，2020）。然而，在重金属与盐分共同胁迫作用下，土壤环境恶化，不利于植物生长，也会降低植物修复的效率（Liang等，2017）。例如，对于盐生植物狐尾藻而言，60克/升的钠氯化物浓度就会使其干重减少40%，再加入1000毫克的铜则会进一步抑制其生长（Mesa-Marín等，2026）。目前，利用微生物提升植物在非生物胁迫条件下的修复效率的技术已经日趋成熟，通过接种丛枝菌根真菌或植物生长促进根际细菌来促进植物生长、提升修复效率的研究也越来越常见（Wahab等，2023；Jalal等，2023）。丛枝菌根真菌可以通过提高植物对磷等养分的吸收能力、调节渗透压平衡、增强抗氧化酶活性、调控植物代谢以及促进根际有益细菌的生长，来提升植物的抗逆能力（Wahab等，2023；Kaur & Suseela，2020；Dowarah等，2022）。而植物生长促进根际细菌则可以通过分泌胞外多糖、产生铁载体、激活植物的抗氧化防御系统、积累渗透调节物质、刺激植物激素及其他代谢物的生成，以及改善根际微生物群落结构，来帮助植物抵御胁迫损伤（Jalal等，2023；Bai等，2023）。因此，盐生植物与微生物联合修复的方式，能够克服受重金属污染盐碱土植物修复效率较低的缺陷。

不过，在重金属与盐分共同胁迫条件下，单独接种丛枝菌根真菌或植物生长促进根际细菌存在明显局限性。重金属与盐分的共同作用会进一步抑制丛枝菌根真菌孢子的萌发与菌丝的生长，降低菌根定殖效率（Cornejo等，2013；Evelin等，2019；Riaz等，2021），同时也会加剧植物生长促进根际细菌活性的抑制，破坏其细胞膜的稳定性（Etesami，2018；Numan等，2018）。因此，单独接种很难克服多重胁迫带来的限制。相比之下，联合接种可以通过协同作用克服这些局限——植物生长促进根际细菌可以促进丛枝菌根真菌孢子的萌发与定殖（Santoyo等，2021），而丛枝菌根真菌的菌丝网络则为植物生长促进根际细菌提供额外的生存空间和碳源（Sangwan & Prasanna，2022），从而共同提升植物对多重胁迫的耐受性。先前的研究已经证实，在非生物胁迫条件下，联合接种丛枝菌根真菌与植物生长促进根际细菌可以通过多种机制促进植物生长，包括帮助植物吸收养分、缓解离子失衡以及激活植物的抗氧化系统。然而，现有的研究大多聚焦于单一重金属胁迫或单一盐分胁迫，且以甘蓝型植物作为主要研究对象（Alshegaihi等，2024；Toubali & Meddich，2025）。即便在少数以盐生植物为研究对象的研究中，也仅限于测定植物的生理指标。例如，有研究显示，联合接种丛枝菌根真菌与植物生长促进根际细菌可以显著提升盐生植物多肉苏拉的抗氧化酶活性（SOD和APX）以及脱落酸含量，从而增强其对盐分胁迫的耐受性（Hidri等，2025）。总之，目前还缺乏系统性研究，阐明联合接种丛枝菌根真菌与植物生长促进根际细菌是通过如何调节植物代谢与根际微生物群落，来提升盐生植物在受重金属污染盐碱土中的生长能力与抗逆性的。

植物的代谢过程会对各种非生物胁迫做出快速而敏感的反应，植物会重新编程代谢途径，以维持代谢稳态并产生具有保护作用的代谢物（Xu & Fu，2022）。这些代谢物包括初级代谢物（如氨基酸、糖类等）和次级代谢物（如酚类化合物），二者都被证明能够有效促进植物生长并提升植物的抗逆能力（Xu & Fu，2022）。此外，植物根系分泌的代谢物（如糖类、氨基酸、苯丙素等）不仅可以改变土壤的化学和物理性质，还能吸引土壤微生物，为它们提供养分或作为碳源（Su等，2023；Wang等，2024a），因此也被视为能够调节微生物与植物之间以及微生物之间相互作用的信号分子（Fadiji等，2023）。与此同时，土壤微生物的生理活动也能影响土壤结构，改善土壤环境，为植物提供养分，还能分解或吸附有毒物质，为植物生长创造良好的环境，进而向植物反馈信号（Su等，2023）。基于以上分析，我们提出如下假设：单独或联合接种丛枝菌根真菌与植物生长促进根际细菌，可以通过调节代谢与根际微生物群落，提升盐生植物在多重胁迫条件下的修复效率——其中根系代谢物可以直接或间接（通过土壤代谢物）改变根际微生物群落的结构，而且联合接种的调控效果会比单独接种更为显著。为了验证这一假设，我们提出了以下四个研究问题：（1）单独接种与联合接种丛枝菌根真菌和植物生长促进根际细菌时，盐角草的植物修复效率有何差异？（2）单独接种与联合接种会改变盐角草中的哪些代谢途径或代谢物？（3）单独接种与联合接种会引发根际微生物群落及其功能基因发生哪些变化？（4）单独接种与联合接种是通过如何调节根系代谢来直接改变根际微生物群落结构，或是通过调控根际土壤代谢物间接实现这一目标的？

本研究在天然的受重金属污染盐碱土中培养盐角草，并向其接种丛枝菌根真菌与植物生长促进根际细菌。通过检测植物的生长状况、修复效率、植物代谢组学数据、根际土壤代谢组学数据以及宏基因组学数据，旨在揭示单独接种与联合接种这两种微生物是如何通过调节植物茎叶、根系以及根际土壤中的代谢途径与代谢物，以及根际微生物群落与功能基因的表达，进而形成协同调控机制，提升受重金属污染盐碱土的植物修复效率的。

实验材料：本研究中的土壤采集自一处重金属尾矿矿场附近（北纬43°41′36′′，东经118°16′18′′），属于天然的受重金属污染盐碱土。该土壤中铅的含量为783.20毫克/千克，锌的含量为2597.00毫克/千克，铜的含量为192.65毫克/千克，这些数值均超过了风险筛选值；而镉的含量为13.96毫克/千克，砷的含量为1368.12毫克/千克，超过了中国《土壤环境质量标准》（GB15618-2018）中的风险干预值。该土壤的电导率与总溶解固体含量分别为2.47……

丛枝菌根真菌与植物生长促进根际细菌接种对盐角草生长及土壤理化性质的影响：植物生长促进根际细菌显著提升了盐角草根系中丛枝菌根的定殖程度（A4组，P<0.05）。与对照组相比，接种丛枝菌根真菌、植物生长促进根际细菌以及二者联合接种的处理组，盐角草的茎叶干重分别提升了1.41倍、1.94倍和2.61倍，根系干重则分别提升了1.65倍、1.95倍和2.80倍，其中二者联合接种的处理组提升效果最为显著（图1a，P<0.05）。接种丛枝菌根真菌、植物生长促进根际细菌以及二者联合接种的处理组，都显著降低了盐角草茎叶及根系中的钠、镉、砷含量，以及根系中的钠、钙、铅、镉、砷、锌含量（丛枝菌根真菌与植物生长促进根际细菌通过提升植物养分吸收能力与改善土壤质量，提升了盐角草的修复效率）。植物生长促进根际细菌提升了菌根的定殖程度，这说明它有助于建立更有效的植物与真菌之间的互作关系（Chen等，2022）。无论是单独接种还是联合接种，都能促进盐角草的生长，其中联合接种的效果最为优异；值得注意的是，联合接种显著提升了盐角草茎叶与根系中的磷和镁含量，以及K+/Na+比值，这些因素共同有助于维持细胞膜的完整性、细胞内的离子平衡以及植物的盐分胁迫耐受性（Lu等，2023；Wang等，2024b……）

结论：在受重金属污染的盐碱土中，单独接种与联合接种囊状丛枝菌根真菌和白色芽孢杆菌K2，能够通过整合生理、代谢与微生物机制，协同提升盐角草的植物修复效率。单独接种与联合接种这两种微生物，主要调节了植物茎叶与根系中的氨基酸代谢及苯丙素生物合成途径，以及根际土壤中的氨基酸代谢与碳水化合物代谢途径……

CRediT作者贡献说明：陈云农：可视化分析、研究工作。林佳莹：可视化分析、方法设计、研究工作。郭伟：资源获取、项目管理、资金筹措、概念构思。徐一文：方法设计、研究工作。郭佩然：软件应用、方法设计、定量分析。贾冰冰：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、正式分析、数据整理。参考文献：Benaffari和Meddich，2023；Biala和Jasinski，2018；Chamkhi等人，2022；Dhanya和Athmika，2021；Fasusi等人，2023；Hicks等人，2021；Shahrajabian等人，2023。数据获取：数据将应要求提供。资金支持：本研究得到了中国国家自然科学基金[32271719, 41977113]、内蒙古自治区自然科学基金重点项目[2026ZD011]、内蒙古自治区高校创新研究团队计划[NMGIRT2321]、中国教育部蒙古高原生态与资源利用重点实验室科学创新能力发展项目[MPL250301]的资助。利益冲突声明：? 作者声明没有已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。贾冰冰|郭佩兰|林嘉莹|陈云农|徐艺文|郭伟中国内蒙古呼和浩特市010021，内蒙古大学生态与环境学院，教育部草原生态安全协同创新中心，教育部蒙古高原生态与资源利用重点实验室。