《Journal of Hazardous Materials》：Mechanisms of cadmium accumulation and translocation in rice affected by microbial agents under hydroponic conditions
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摘要镉 (Cd) 在稻米中的积累威胁着全球粮食安全，然而调控植物内部 Cd 转运的微生物制剂的功能成分仍不清楚。在此，我们比较了活细胞处理和分泌物处理对水培水稻中 Cd 积累和转运的影响。水稻分别用 Pseudomonas straminea、Allorhizobium or
摘要
镉 (Cd) 在稻米中的积累威胁着全球粮食安全，然而调控植物内部 Cd 转运的微生物制剂的功能成分仍不清楚。在此，我们比较了活细胞处理和分泌物处理对水培水稻中 Cd 积累和转运的影响。水稻分别用 Pseudomonas straminea、Allorhizobium oryzae 或它们的合成菌群进行处理，并对组织 Cd、根际分泌物代谢组学、根际微生物群落和结构方程模型进行了整合分析。活细胞处理仅引起微弱且不具统计显著性的生物量变化，但使地上部 Cd 浓度降低了 50.1–55.6%，Cd 转运系数降低了 46.5–53.7%，而根部 Cd 保持不变。分泌物处理达到或略微超过了活细胞诱导的地上部 Cd 减少量，并重现了 60.6–91.8% 的相应转运系数减少效应，使地上部 Cd 降低了 52.9–58.5%，转运系数最多降低了 42.7%。代谢组学和结构方程模型分析揭示了一种保守的低转运根际分泌物谱。Cd 转运的减少与促脂酰基和促类固醇模块的协调抑制关联更密切，而不是与抗转运代谢物的整体增强有关。这些发现支持了微生物胞外产物在调控水稻 Cd 转运中起主要作用的结论，为开发基于分泌物的策略以减轻水稻 Cd 积累提供了机制基础。
引言
稻田土壤中的镉 (Cd) 污染对水稻生产和全球粮食安全构成了持续威胁，因为 Cd 易于在稻米中积累并进入人类食物链，造成严重的健康风险，包括肾功能不全、骨骼损伤和致癌效应。在水稻中，Cd 积累涉及根际 Cd 有效性、根系吸收、木质部介导的根到地上部转运，以及随后的向籽粒再分布。代表性转运蛋白，包括 OsNRAMP5 和 OsHMA2，分别在根系 Cd 吸收和木质部装载中发挥重要作用 [1], [2], [3], [4]。因此，水稻 Cd 积累不仅受根际外部 Cd 有效性的影响，还受植物控制的运输过程的影响，特别是木质部介导的根到地上部 Cd 转运，这是地上部和籽粒 Cd 积累的主要生理决定因素 [5]。因此，阐明根到地上部 Cd 转移的潜在调控机制是开发有针对性的有效缓解策略的前提。
微生物制剂已成为缓解水稻 Cd 积累的一种有前景且环保的替代常规化学改良剂。许多耐 Cd 微生物可以通过生物吸附、胞外络合、沉淀和 Cd 物种的氧化还原转化来降低根际 Cd 生物有效性 [6], [7], [8], [9]。虽然这些过程已有充分记载，但它们主要解释的是根际 Cd 有效性的变化，而不是植物内部的 Cd 运输过程。越来越多的证据表明，活细胞处理还可以调节植物内源性生理和分子反应、根际分泌物谱和根际微生物群落，从而间接影响 Cd 积累 [10], [11], [12], [13]。最近的研究进一步表明，微生物辅助的 Cd 缓解涉及根际化学、植物胁迫反应和微生物群落结构的协调变化 [14]。然而，一个关键的未解决问题仍然存在：微生物制剂的作用可能源于多种功能过程和成分，包括活细胞的定殖和代谢活性、微生物生物量对 Cd 的直接吸附或固定、土著根际微生物群落的重塑，以及作为生物活性化合物作用的微生物胞外产物 [15]。这些机制在现有的接种研究中往往被混淆，未能理清这些途径的相对贡献。鉴于根际相互作用主要由化学交流而不是直接的物理接触介导，微生物分泌物可能在调节植物胁迫反应、根系代谢和根际微生物群落中发挥关键作用 [16]。因此，将活细胞效应与分泌介导的调节区分开来，对于识别调节水稻 Cd 转移的微生物制剂中的功能成分至关重要。
根际分泌物构成了连接植物生理、微生物活动以及根际 Cd 活性和化学形态的主要生化界面 [17], [18]。这些分泌物通过多种途径调节 Cd 活性和植物吸收，包括改变根际 pH 值、螯合游离金属离子、改变氧化还原条件以及塑造微生物群落组装 [19]。最近的代谢组学研究表明，水稻根际分泌物与 Cd 积累特性和胁迫适应密切相关。例如，低 Cd 积累水稻品种在 Cd 胁迫下上调与减少 Cd 吸收相关的脂质和脂肪酸，而高 Cd 积累品种主要激活苯乙基苷以对抗氧化胁迫 [17]。特定的水稻根际分泌物，如柠檬酸，也可以在 Cd 胁迫下增强有益根际微生物类群的定殖效率和植物生长促进作用 [19]。此外，已证明植物生长促进细菌接种可以重新编程水稻根系代谢途径，特别是苯丙烷类和黄酮类生物合成，同时减少 Cd 积累并下调关键金属转运蛋白基因的表达 [20]。这些发现共同表明，根际分泌物对 Cd 胁迫和微生物相互作用都具有高度响应性，且不同类别的代谢物，包括有机酸、苯丙烷类、黄酮类、氨基酸衍生物和类似脂质的分子，对 Cd 动员、吸收、解毒和内部再分布有不同的贡献。值得注意的是，脂质代谢已成为植物 Cd 胁迫反应中的关键调控节点，因为脂肪酸重塑、磷脂酸信号传导和溶血磷脂酰胆碱的产生，涉及膜修复、活性氧 (ROS) 稳态和胁迫信号转导 [17], [21], [22], [23]。然而，大多数目前的研究仅确立了代谢物变化与 Cd 积累之间的相关性关联，缺乏直接的功能验证。此外，微生物制剂如何特异性地调节根际分泌物以调控 Cd 转移仍知之甚少。在本研究中，我们采用水培水稻系统系统地研究了活细胞处理对水稻 Cd 积累和转运的影响。我们首先比较了单菌株接种 (Pseudomonas straminea, Allorhizobium oryzae) 和合成微生物菌群 (SyM，两种菌株的 1:1 v/v 混合物) 接种对水稻生长、Cd 积累和根到地上部 Cd 转运系数的影响。进行了根系分泌物代谢组学和根际细菌 16S rRNA 基因扩增子测序的整合，以识别与减少 Cd 转移相关的差异代谢物和微生物类群。为了进一步评估微生物胞外产物的潜在贡献，进行了分泌物处理，以确定无细胞分泌物是否能重现观察到的根际分泌物和 Cd 转运的变化。本研究为理解微生物制剂介导的水培水稻 Cd 转运调控提供了整合的机制框架。
章节摘要
微生物制剂的制备
P. straminea (CGMCC 1.1827) 和 A. oryzae (CGMCC 1.7048) 菌株来源于中国普通微生物菌种保藏中心 (CGMCC)。选择这两种菌株是因为它们起源于水稻农业生态系统中的不同生态位：P. straminea 分离自稻田土壤，代表一个土壤相关的 Pseudomonas 谱系，而 A. oryzae 分离自水稻根系，代表一个内生固氮谱系。P. straminea 被激活和培养
活细胞制剂独立于生物量稀释减少水稻 Cd 转运
不同处理下 Cd 胁迫 (100 μg L?1) 的水稻生长性能如图 1 所示。活细胞制剂仅引起水稻生物量和生长性状微弱且不具统计显著性的变化。与未接种组 (对照) 相比，接种组显示出地上部鲜重、地上部干重和总生物量增加的趋势。最大的生长促进效应出现在 A.o 处理中，地上部鲜重和干重分别增加了 29.57% 和 31.65%，
结论
在水培条件下，活细胞接种使地上部 Cd 积累减少了 50.1-55.6%，根到地上部转运减少了 46.5–53.7%，且未显著改变根部 Cd 浓度，表明活细胞处理主要限制内部 Cd 转移而不是根系吸收。分泌物处理实验进一步表明，微生物胞外产物重现了活细胞处理表型的很大一部分，达到或略微超过了
CRediT 作者贡献声明
沈仁芳: 写作 – 审阅 & 编辑。 赵玲: 写作 – 审阅 & 编辑。 张志同: 写作 – 审阅 & 编辑。 王艳宁: 写作 – 审阅 & 编辑。 徐永峰: 写作 – 审阅 & 编辑。 刘彩云: 调查。 滕盈: 写作 – 审阅 & 编辑，监督，项目管理，资助获取，概念化。 戴士翔: 写作 – 审阅 & 编辑，写作 – 原创草稿，可视化，调查，形式分析，数据管理，概念化。
竞争性利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文中报告的工作。
致谢
国家科技创新领军人才计划 (SQ2022RA24910167)，江苏省优秀博士后人才资助计划 (项目编号。2024ZB856)，中国博士后科学基金会 (项目编号。2024M753329)，江西省核心农业技术重点专项研究项目 (JXN02607-05)。
重要性声明
稻田土壤中的镉污染威胁着全球稻米食品安全，并使消费者面临慢性健康风险。尽管活细胞微生物处理是
黄玉琦 | 戴士翔 | 滕盈 | 刘彩云 | 徐永峰 | 王艳宁 | 张志同 | 赵玲 | 沈仁芳 | 罗永明
中国科学院南京土壤研究所土壤与可持续农业重点实验室，中国南京 211135
