微环境重塑与光合恢复：人工微生物群落介导的大豆幼苗耐受低温和阿特拉津复合胁迫的机制

《Journal of Environmental Sciences》：Microenvironmental reshaping and photosynthetic recovery: Artificial microbial consortium mediated mechanism for tolerance to combined low-temperature and atrazine stress in soybean seedlings

　　

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  在双重胁迫下，CPD使大豆F_v/F_m提高24.19 %，Y(II)提高78.26 %。
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  CPD同步降低组织MDA 55.19 %–64.05 %和脯氨酸 38.52 %–42.04 %。
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  CPD通过富集Acidimicrobium和Azospirillum重塑微生物组。
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  叶际Azospirillum丰度与气体交换参数呈相关。

引言

中国东北黑土区是全国重要的农业生产基地。然而，大豆在0–15°C范围内经常遭受冷害，这是抑制生理活动的关键阈值（Lindemann and Ham, 1979; Lyons, 1973）。具体而言，15 °C是该地区春季反复出现的胁迫因素，由于纬度高、热量资源有限，每隔3–5年便会出现频繁寒潮，这是导致减产的主要原因（Ding et al., 2007; Li et al., 2021）。与此同时，这些限制还体现在多个方面，包括污染物迁移、植物光合效率和土壤微生物代谢活性（Han et al., 2024）。在污染物传输方面，田间研究报告农田土壤中阿特拉津残留水平在0.015至1100 mg/kg之间，经常超过1.0 mg/kg的允许限值（Dehghani et al., 2022）。关于其环境持久性，阿特拉津在土壤中的半衰期通常为4至57周，取决于土壤性质、温度和微生物活性，但在不利降解条件下可能超过一年（Singh et al., 2024b）。多项研究表明，低温显著阻碍微生物降解并延长其持久时间。例如，在黏质壤土中，阿特拉津耗散所需时间从30°C时的7.50天急剧增加到10°C时的326.23天（Chowdhury et al., 2021）。这种延长持久性加剧了污染物在土壤中的积累，对受影响地区的可持续农业构成了重大挑战。因此，低温和持久阿特拉津的共存构成了一种典型的复合胁迫。在植物生理层面，它抑制光合碳同化并引发活性氧（ROS）爆发，破坏细胞内氧化还原稳态并阻碍生长（Repkina et al., 2021）。在土壤微生态层面，它通过改变群落结构并重塑微生物间相互作用来破坏微生物网络的稳定性，从而损害土壤生态系统的功能协同性（Hanke et al., 2016; Song et al., 2023）。

阿特拉津作为一种广泛使用的氯代三嗪类除草剂，通过破坏光系统II（PSII）的电子传递链来抑制光合作用，导致有效量子产量、CO₂固定以及包括叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素在内的光合色素含量显著下降，从而共同限制光合性能（Bai et al., 2015）。先前的研究表明，阿特拉津胁迫显著抑制Cladophora glomerata的光合效率和碳/氮代谢（Gao et al., 2019）。更重要的是，土壤中的阿特拉津残留对大豆等敏感的轮作作物构成了严重的植物毒性威胁。例如，Ramanathan等人（2025）对五种大豆品种施用每公顷179.2克有效成分的阿特拉津后的综合分析显示，出苗后3天内大豆幼苗的PSII有效量子产量[Y(II)]下降了46 %–82 %，至出苗后21天时地上部干物质减少高达94 %。Soltani等人（2011）的田间研究也证实，残留阿特拉津暴露导致大豆减产高达54 %。其他农用化学品也可能干扰光合功能。例如，一种抗生素——磺胺甲噁唑已被证明会抑制中国白菜幼苗的生长并降低光合性能，导致可见的叶片黄化（Shen et al., 2024）。因此，缓解低温条件下阿特拉津毒性和光合抑制对大豆生产力至关重要。

由于适用范围广、成本低和环境友好性，微生物修复技术在污染控制领域引起了广泛关注。合成菌群相比于单菌株应用具有更优的系统稳定性和多功能性（Li et al., 2024; McCarty and Ledesma-Amaro, 2019）。多项研究表明，合成菌群通过协同作用，显著增强了在不利环境胁迫下的适应性和修复能力（Arias-Sánchez et al., 2024; Liu et al., 2023b; Lü et al., 2024; Yu et al., 2025）。值得注意的是，一种由Peribacillus simplex C1、Enterobacter sp. P1和Acinetobacter lwoffii DNS32组成的耐寒合成菌群，被证明通过菌株间的协同作用在低温下高效降解农药（Han et al., 2024）。

然而，关于此类功能性定制微生物群落如何在复合胁迫下协调植物系统性恢复，仍存在显著的知识空白。在本研究中，将合成菌群（CPD）——由耐寒菌P. simplex C1、解磷菌Enterobacter sp. P1和阿特拉津降解菌A. lwoffii DNS32组成——作为接种剂施用，以研究其在低温和阿特拉津复合胁迫下对大豆幼苗光合效率的调控作用。本研究的独特之处在于，通过功能性菌群的定向接种，将植物生理与多隔室（根际和叶际）微生物组的稳态重组联系起来，从而解耦双重环境胁迫。本研究旨在：（1）评估CPD减轻大豆幼苗光合损害和氧化损伤的程度，并阐明其在光合生理和细胞超微结构层面的保护效应；（2）考察CPD在塑造根际和叶际微生物群落组装、网络稳定性和关键功能类群丰度方面的作用；（3）阐明关键微生物类群与关键植物生理参数之间的关系，从而揭示CPD通过微生物组工程增强植物抗逆性的核心途径。

章节摘要

材料、测试菌株和培养媒体

阿特拉津（纯度99.7 %）购自中国江苏瑞邦化工有限公司。所有其他化合物均为市售分析纯产品。

土壤样品采集自中国黑龙江省哈尔滨市农田表层（0–20 cm）。分析了土壤的基本理化性质，包括pH值、有机质含量、NH₄⁺-N浓度、NO₃^--N浓度、有效磷含量和有效钾含量。这些

光合参数的变化

在低温和阿特拉津复合胁迫下，大豆幼苗叶片的各种光合参数表现出不同程度的下降，表明光合受到抑制，这可能是由于植物内源稳态调节的破坏所致。值得注意的是，CPD的应用导致叶片气体交换参数出现了可观察的改善，这些参数呈现出明显的日变化模式，并在13:00达到峰值（图1a和d）。与AT处理相比，CPD处理提高了

结论

本研究阐明了合成菌群CPD作为绿色替代方案克服气候变化引起的低温和农药污染、从而提高大豆幼苗光合效率的微生态机制。CPD通过两条互补途径赋予大豆幼苗胁迫耐受性：生理保护和微生物群落重塑。在生理层面，CPD调节抗氧化防御的平衡

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

CRediT作者贡献声明

韩思月：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。黄永辉：写作 – 原稿撰写，验证，指导，方法论，调查，形式分析。赵彬宇：可视化，验证，形式分析。崔云鹤：写作 – 审阅与编辑，资源，数据管理。陶冶：写作 – 审阅与编辑，资源，数据管理。党文涛：写作 – 审阅与编辑。张燕：写作

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（编号：2024YFD1501000）、黑龙江省本科院校优秀青年教师基础研究支持计划（编号：YQJH2024020）、黑龙江省自然科学基金（编号：YQ2023C002）以及黑龙江省土壤保护与修复重点实验室的资助。

韩思月|黄永辉|赵彬宇|崔云鹤|陶冶|党文涛|张燕|屈建华|张颖