《Agronomy》：Evaluation of the Phytoprotective and Plant Growth-Promoting Role of Pseudomonas agronomica in the Forage Crop Lupinus albus var. Dorado Grown in Mercury-Contaminated Soils
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摘要：土壤汞（Hg）污染因其高毒性和环境持久性而构成显著的生态毒理学风险。本研究评估了本地菌株农杆菌假单胞菌（Pseudomonas agronomica）对不同汞浓度土壤中栽培的白羽扇豆（Lupinus albus）的生长、生理状态和抗氧化响应的影响，以及接
摘要：土壤汞（Hg）污染因其高毒性和环境持久性而构成显著的生态毒理学风险。本研究评估了本地菌株农杆菌假单胞菌（Pseudomonas agronomica）对不同汞浓度土壤中栽培的白羽扇豆（Lupinus albus）的生长、生理状态和抗氧化响应的影响，以及接种对该植物组织内汞积累和转运的影响。研究人员开展了一项盆栽试验，设置三个汞浓度水平，并分别进行细菌接种与不接种处理。研究人员测定了植物生长和抗氧化参数，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）定量汞浓度，并利用Biolog EcoPlates?、群落抗菌谱测定和16S rRNA基因测序分析了土壤代谢活性和微生物群落结构。接种农杆菌假单胞菌显著降低了根和叶中的汞积累（p < 0.001）和丙二醛水平（p < 0.05），降低了群落水平抗生素耐药性，并在中等汞浓度下尤其增加了植物生物量，同时提高了土壤功能多样性而未改变α多样性。总体而言，这些发现凸显了农杆菌假单胞菌C69作为本地植物促生生物接种剂的潜力，可提高低生物碱白羽扇豆在汞污染土壤中的可持续栽培和植物修复能力。
论文解读：汞污染土壤中农杆菌假单胞菌对白羽扇豆的植物保护与促生作用
一、研究背景与问题
土壤重金属污染，尤其是汞污染，是全球性的环境挑战。汞具有高毒性、环境持久性以及沿食物链的生物累积和生物放大效应，对生态系统完整性和人类健康构成严重威胁。在西班牙阿尔马登矿区，长期数百年的汞矿开采导致土壤汞浓度高达2,695,000 ng·g?1，远超农业安全阈值，严重制约了该地区的生态恢复和可持续农业发展。传统修复技术如土壤挖掘、土壤淋洗和化学稳定化虽然能降低污染物浓度，但存在经济成本高、生态干扰大和长期效果有限等显著缺陷，且可能破坏土壤结构、肥力和微生物群落，阻碍生态系统功能的恢复。因此，亟需开发可融入再生农业框架的可持续修复策略。
植物修复联合植物促生细菌（PGPB）是极具前景的替代方案。PGPB通过产生植物激素（如生长素）、合成铁载体、解磷、调节激素水平和ACC脱氨酶活性等机制增强植物在逆境下的表现，并能调节植物抗氧化响应，减轻重金属胁迫相关的氧化损伤。假单胞菌属物种因具有耐受和转化汞的能力而备受关注。农杆菌假单胞菌（Pseudomonas agronomica）表现出对高浓度汞的耐受性、铁载体产生能力及参与氧化还原稳态的基因。本地菌株相比非本地生物接种剂具有先期适应优势，可提高有效性和持久性。植物模型白羽扇豆（Lupinus albus var. Dorado）对贫瘠土壤适应性强，能与固氮细菌共生，且作为高蛋白饲草作物具有重要农艺价值，近年来研究还表明其能在非食用组织中积累重金属且向地上部转运有限，是安全的植物修复候选物种。本研究旨在评估本地农杆菌假单胞菌菌株在汞污染土壤中对白羽扇豆生长、营养状况、氧化应激以及汞积累和转运的影响，为开发本地耐汞微生物作为高污染土壤修复的生物技术工具提供理论支持。
二、研究技术与方法概述
研究人员使用了多种关键技术方法：通过透射电子显微镜（TEM）观察菌株形态；通过全基因组测序和功能注释分析汞抗性基因（mer operon）及抗生素抗性基因；采用纸片扩散法和E-test梯度条进行抗菌药物敏感性测试；开展为期六周的盆栽试验，设置三个汞浓度梯度（S1、S2、S3），并设不接种对照（C0）和接种农杆菌假单胞菌C69处理；利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）定量植物组织中的汞含量；采用Biolog EcoPlates?评估土壤微生物功能多样性；通过群落抗菌谱（cenoantibiogram）测定土壤微生物群落最低抑菌浓度（MIC）；利用16S rRNA基因扩增子测序分析土壤微生物群落结构；使用PICRUSt2预测功能基因。样本来自西班牙阿尔马登矿区的三种不同汞污染土壤，植物材料为白羽扇豆多拉多品种的认证种子。
三、研究结果
（一）菌株特性表征
研究人员通过MALDI-TOF质谱鉴定菌株C69为农杆菌假单胞菌，log(score)为2.21。全基因组测序获得5716个编码基因，GC含量为61.1%。基因组中鉴定出包含merB、merA、merC、merP、merT和merR的汞抗性基因簇。抗菌药物敏感性测试显示，该菌株对阿莫西林/克拉维酸、哌拉西林和头孢噻肟的MIC值较高（分别为256、32和32 μg·mL?1），对庆大霉素和亚胺培南的MIC值较低（分别为1.17和0.75 μg·mL?1），EDTA可降低亚胺培南的MIC至0.18 μg·mL?1。
（二）植物生长与生物量
在S1和S2土壤中，接种C69的植物具有更高的地上部和根部生物量，茎长、主根长和侧根数均有改善。植物的可溶性蛋白和糖浓度增加。在S2土壤中，接种植物的植物保护指数（PI）为+1.48，而对照为负值。营养PCA分析显示，汞胁迫是植物营养谱的主要结构因素，接种C69的样品更接近健康对照（S1）区域。
（三）蛋白质质量指数与植物保护指数
接种C69在低（S1）和中（S2）汞浓度下分别使蛋白质质量指数（PQI）增加0.14和0.09个单位，而在高汞浓度（S3）下对照植物的PQI略高。植物保护指数方面，在S1土壤中接种植物为+0.51而对照为-0.74；在S2土壤中接种植物达+1.48而对照为-0.74，相对增幅最大（2.22）；在S3土壤中两种处理均为负值，但接种植物的-0.33优于对照的-0.42。
（四）氧化应激响应
在中等汞浓度（S2）下，接种C69的植物过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽还原酶（GR）活性分别相对增加55.4%和6.62%，但差异不显著。在高汞浓度（S3）下，GR和愈创木酚过氧化物酶（GP）活性分别增加16.63%和64.46%。重要的是，在S2和S3土壤中，接种植物的丙二醛（MDA）含量显著降低，分别从10.18降至6.27 nmol·g?1（p = 0.008）和从7.94降至7.27 nmol·g?1（p = 0.017），表明脂质过氧化损伤显著减轻。
（五）植物组织中汞含量
ICP-MS分析显示，在所有汞浓度土壤中，接种C69的植物根和叶中汞含量均显著低于未接种对照（p < 0.001），表明该菌株能有效减少汞在植物组织中的积累和向地上部的转运。
（六）土壤微生物功能多样性
Biolog EcoPlates?分析表明，接种C69的土壤在低（S1）和中（S2）汞浓度下Shannon和Simpson多样性指数升高。双因素方差分析显示，汞浓度对Shannon多样性影响极显著（F?,?? = 159.61，p < 0.001），且汞浓度与接种之间存在显著交互作用（F?,?? = 36.02，p < 0.001），说明C69以汞依赖方式调节微生物群落功能。Simpson指数也呈现类似模式。底物利用模式分析显示，接种C69在碳水化合物利用上在S2和S3存在显著差异（p < 0.01），胺类底物利用在C69S1中位值最高（约1.9），表明接种菌株改变了土壤微生物的功能代谢活性。
（七）群落抗生素耐药性分析
群落抗菌谱测定显示，接种C69在中等汞浓度（S2）下显著降低了土壤微生物群落对哌拉西林（PP）和亚胺培南（IMI）的MIC值，降幅分别为81.05%（p = 0.048）和99%（p < 0.001），而对阿莫西林/克拉维酸和头孢噻肟的MIC值维持较高水平。PCA分析显示PC1和PC2共解释93.0%的方差，β-内酰胺类抗生素是区分接种与未接种土壤的主要因素。未检测到NDM或VIM型金属-β-内酰胺酶基因。
（八）土壤微生物群落结构与多样性
16S rRNA基因测序显示，α多样性指数在接种与未接种土壤之间以及不同汞浓度之间均无显著差异（p > 0.05），表明接种未引起微生物多样性丧失。β多样性PCoA显示汞浓度可能引起群落结构分离，但PERMANOVA检测未达显著水平（R2 = 0.418，p = 0.41）。接种菌株解释了16.2%的方差，但亦不显著（p = 0.63）。然而，接种土壤中假单胞菌属的相对丰度增加，表明接种菌株在处理期间能够持续存在。差异丰度分析（ANCOM-BC）揭示了在中等和高汞浓度下多个细菌类群的显著富集和耗竭，接种C69显著富集了Anaerolineaceae、Chitinophagales和Acidobacteriota等科，而耗竭了Streptomycetaceae、Hymenobacteraceae和Opitutaceae。
四、讨论与结论
讨论部分指出，农杆菌假单胞菌C69通过多种机制发挥综合保护作用：产生铁载体和螯合化合物可能降低根际中汞的生物可利用性，从而减少植物对汞的吸收；ACC脱氨酶活性可能通过调节乙烯水平增强植物对环境胁迫的耐受性；基因组中丰富的应激响应和DNA修复相关基因支撑了其在高毒性环境中的生存能力。该菌株不含可移动的抗生素抗性遗传元件，降低了水平基因转移风险，显示出较高的生态安全性。植物保护指数的综合评估表明，接种C69能改善植物在汞胁迫下的整体生理表现，尤其是在中等汞浓度下的增益最大。在土壤层面，C69接种维持了土壤微生物的代谢功能，降低了群落水平抗生素耐药性压力，并促进了对功能微生物类群的富集，而α多样性保持稳定，表明其不会引起微生态失调。
研究结论指出，接种农杆菌假单胞菌C69持续改善了汞污染土壤中白羽扇豆的生理表现，尤其在中等汞浓度下效果显著。该菌株促进了植物生长，优化了营养状况，减轻了氧化胁迫，同时减少了汞向地上部组织的积累和转运，这可能归因于根际固定化或内部转运途径的阻断。在土壤水平上，C69有助于维持土壤微生物组的代谢功能，降低了抗生素耐药性压力（尤其是哌拉西林和亚胺培南），并促进了与功能性土壤系统相容的微生物结构重组，且未诱导α多样性丧失。这些在植物和土壤中的协调效应显示出多因子作用模式和高生态安全性。已证实的植物保护效应使农杆菌假单胞菌C69成为低生物碱白羽扇豆多拉多品种的有前景的本地生物接种剂，可增强该作物在可持续食品和饲料生产系统中的潜在适用性。
