合成微生物群落辅助调控砷的转运与代谢，降低水稻各发育阶段的谷粒砷积累

《Microbiological Research》：Synthetic microbial community-assisted regulation of arsenic transport and metabolism reduces grain arsenic accumulation in rice across developmental stages

　　

摘要

砷污染水稻土威胁着作物产量，并导致有毒砷在稻谷中积累。在此，我们证明由Priestia flexa和Pseudomonas putida组成的定义合成微生物群落（SynCom）可减轻砷毒性并限制水稻（Oryza sativa var. Sarju-52）中的砷积累。在砷胁迫条件下[As(III)，18 mg/kg；As(V)，50 mg/kg]，植株表现出生长受阻、光合性能下降和氧化应激增加。接种SynCom后恢复了生理功能和代谢平衡，表现为光合作用改善、可溶性糖增加和脯氨酸积累减少。同时伴随着抗氧化酶过度激活的减弱，表明活性氧得到了有效控制。从机制上看，SynCom通过协调下调砷转运蛋白基因（Lsi1、Lsi2、Lsi3、OsNIP1;1和OsNIP3;3）的表达，显著减少了根、茎和谷粒中的砷积累，从而限制了砷的吸收和转运。代谢组学分析还表明，胁迫相关代谢物受到抑制，而与生长相关的代谢途径得到富集。这些结果表明，微生物组工程可以重新编程植物对砷胁迫的响应，为减少主粮作物饮食砷暴露提供了一种可扩展的策略。此外，本研究为开发SynCom作为在砷污染地区改善食品安全和农业韧性的有效且可持续的生物技术干预手段奠定了坚实基础。

引言

水稻是全球超过50%人口的重要食物来源，对全球粮食安全至关重要。然而，水稻土中砷（As）污染的不断加重威胁着水稻种植（Fan等，2023）。在地下水含砷并用于灌溉的地区，这一情况更为令人担忧，导致农业系统中砷的长期积累（Rahman等，2023）。在水稻田等淹水厌氧条件下，砷以亚砷酸盐[As(III)]形式存在，该形式完全可移动且具有毒性（Zecchin等，2016）。由于亚砷酸盐与硅相似，可通过Lsi1和Lsi2等硅转运蛋白被植物吸收并积累于组织中，随后转运至稻谷（Chen等，2015）。这影响了作物产量，也是人类通过饮食暴露于砷的重要间接来源（Barbhuiya等，2023）。据报道，砷对植物生长产生负面影响，暴露后会与酶和蛋白质的巯基相互作用，抑制生物化学过程（Sharma等，2024）。砷暴露会导致氧化应激以及对脂质、蛋白质和DNA的损伤，从而形成活性氧（Jomova等，2011）。

砷的毒性由于根系结构畸变、茎伸长受阻以及光合作用能力下降而负面影响植物的生长和发育（Barbhuiya等，2023）。相关效应包括活性氧（ROS）的过量产生及其导致的氧化应激，这会破坏细胞结构并扰乱代谢稳态，从而对植物造成胁迫（Nahar等，2022）。在氧化应激期间，植物会上调应力代谢物如脯氨酸和抗氧化酶（包括超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、抗坏血酸过氧化物酶APX和愈创木酚过氧化物酶GPX）的合成（Khan和Gupta，2018）。尽管内部应激缓解系统和抗氧化防御系统被激活，但砷毒性无法被完全减轻。砷与其他金属离子结合会破坏激素平衡，从而加剧生长抑制。砷对细胞系统的影响包括Lsi1和Lsi2等水通道蛋白转运体的上调，这些转运体参与砷的吸收和运输，导致植物可食用部分中砷的积累增加（Khan和Gupta，2018）。

许多传统的缓解水稻系统中砷污染的方法（例如调整水管理方案、土壤改良、改造水稻遗传品系）已取得不同程度的成功，但往往受限于高经济成本、影响规模有限以及不利的环境效应（Kumarathilaka等，2019）。因此，利用植物相关有益微生物增强植物对胁迫的耐受性，特别是对非生物胁迫的耐受性，是一项极具前景的策略（Ali等，2023）。植物生长促进根际细菌（PGPR）通过更广泛的机制具有促进植物生长的潜力，包括改善养分吸收、合成植物激素、调控植物胁迫响应途径，以及通过生物固定、生物转化或结合来降低金属毒性（Kaushal和Pati，2025）。PGPR独特的多功能特性使其成为应对作物砷胁迫的有力候选者。已有研究表明，PGPR接种可刺激植物生长和氮积累，抑制重金属和类金属向植物地上部分的转运，并激活抗氧化酶系统，从而降低氧化应激（Pintér等，2018）。然而，使用单一菌株在复杂环境条件下效果不佳，因为其功能多样性和生态稳定性有限（Eisenhauer等，2012）。相比之下，SynCom整合了多种功能微生物菌株，以协调系统进行管理，因此更加可靠和稳健（De Souza等，2020）。SynCom还增强了微生物协同活性、根际定殖和持久性，从而改善植物生长和胁迫耐受性（De Souza等，2020）。SynCom可通过组合功能互补的微生物菌株进行合理设计，实现比单一接种剂更稳定、更可预测的植物响应。然而，尽管其具有潜力，关于定义SynCom如何调控水稻中砷的吸收、转运和解毒知之甚少。特别是，SynCom介导的不同发育阶段砷耐受的协调生理、生化、代谢组和分子机制在很大程度上仍待探索。另一方面，一些具有耐砷特性的个体PGPR，如Achromobacter xylosoxidans GD03、Bacillus subtilis和Kocuria flava，已被报道可通过刺激亚砷酸盐氧化为可用性较低的砷酸盐形式（Wang等，2020）、根部分区封存并减少向茎和谷粒的转运（Upadhyay等，2018），以及通过刺激抗氧化防御机制来增强植物耐受性（Gulzar和Mazumder，2026），从而减轻水稻中的砷毒性。这些研究为使用更智能、更有目的性设计的SynCom来缓解植物胁迫提供了依据。

在本研究中，我们开发了一个由耐砷细菌P. flexa和植物生长促进细菌P. putida组成的双成员定义SynCom，以研究该SynCom在缓解水稻砷胁迫中的作用。与以往主要关注个体PGPR菌株效应的研究不同，本研究通过整合多个发育阶段的生理、生化、代谢组和分子分析，对SynCom介导的砷解毒进行了全面的机制评估。我们证明该SynCom可重新编程植物代谢、维持氧化还原稳态、抑制砷转运蛋白基因表达，并减少砷的吸收、转运和谷粒积累。这些发现为微生物组工程建立了机制框架，并突出了定义SynCom作为在砷污染农业生态系统中改善水稻产量和食品安全的可持续策略的潜力。因此，本研究的目的是评估该双成员定义SynCom的功效，并通过评估植物生长、生理和生化响应、代谢物和植物激素谱、抗氧化防御、砷转运蛋白基因表达以及水稻中的砷吸收、转运和谷粒积累来阐明砷解毒的机制。

材料与方法片段

细菌菌株和SynCom的开发

选择了两种此前已被充分表征的PGPR菌株——P. flexa（NBRI B1）和P. putida（NBRI RA），它们从砷污染水稻土中分离获得，基于其互补的耐砷特性和植物生长促进特性开发定义SynCom。两种菌株均在4°C的营养琼脂斜面培养基上保存。实验使用时，菌株在28±2°C下于营养肉汤中分别连续振荡培养24小时。细菌悬浮液调整为最终浓度。

功能互补性和SynCom的构建

选择P. putida（NBRI RA）是因为其促进植物生长的能力以及对某些非生物胁迫的耐受性（Kumar等，2015）。耐砷菌株P. flexa在亚砷酸盐和砷酸盐胁迫条件下均表现出强大的生长和存活能力（Majhi等，2025）。当两者结合时，这些菌株表现出互补的功能特性，包括胁迫耐受性和生长促进能力（Kumar等，2015）。Kumar等（2015）报道了在该过程中。

讨论

本研究证明了P. flexa-P. putida SynCom通过其组成菌株的功能互补性和协同互作实现了卓越的性能。P. flexa能够耐受亚砷酸盐和砷酸盐，使其能在砷胁迫下存活和持久存在，而P. putida则通过植物激素产生、磷酸盐溶解和高效的根际定殖来促进植物生长（Majhi等，2025；Kaur等，2025）。这两者。

结论

本研究证明，SynCom可通过控制水稻胁迫响应的多个方面（包括生理、代谢组和分子水平）来减轻水稻中的砷胁迫。SynCom采用的策略是多管齐下的，包括限制砷吸收、恢复代谢平衡以及控制与砷解毒和转运相关的基因和途径表达。SynCom的效果还展示了其控制氧化应激的能力。

伦理审批

不适用。

未引用参考文献

（Ahsan等，2026；Alhelaify等，2026；Almeida Trapp等，2014；Alwutayd等，2024；Ansari等，2026；Aqeel等，2025；Bisht和Chauhan，2019；Casida等，1964；Chaudhary等，2023；Chen等，2025；Cui等，2026；Dai等，2025；Das等，2026；Das等，2026；Dwivedi等，2010；Flores-Duarte等，2023；Gao等，2026；Gao等，2026；Gao等，2022；Ghosh和Choudhury，2026；Hasanuzzaman等，2026；Jomová等，2011；Joshi等，2023）

CRediT作者贡献声明

Pradeep Semwal：形式分析、数据整理。Basudev Majhi：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——原始草稿、方法学、调查研究、形式分析。Puneet Singh Chauhan：论文撰写——审阅与编辑、资源提供、项目管理、经费获取、概念构思。Neha Yadav：形式分析。Deen Dayal Pandey：形式分析。Shashank Kumar Mishra：形式分析、数据整理。

生成式人工智能和AI辅助技术在写作过程中的声明

作者确认在稿件准备过程中使用了人工智能工具（ChatGPT）进行语言润色和清晰度改善。科学内容、解释和结论均由作者独立开发和批准。

致谢

本研究利用印度科学与工业研究委员会资助的项目MLP002628的运营经费开展。作者感谢CSIR-NBRI（勒克瑙）主任为本研究提供了必要的资源支持。CSIR-NBRI分配的手稿编号为CSIR-NBRI_MS/2026/08/14。

参与同意

不适用。

发表同意

不适用。

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