根施伯克氏菌对小麦镉吸收转运的两段式阻控作用

为评估将伯克氏菌Y4（Burkholderia sp.Y4）作为污染农田小麦降镉（Cd）菌的可行性,通过微生物高通量测序、土壤Cd逐级提取、小麦Cd亚细胞分布和赋存形态检测等手段,分析了菌株Y4处理下根际土壤微生物群落和Cd有效态变化,以及小麦根、基节、节间和籽粒Cd含量及其转运特征.结果表明,根施菌株Y4显著降低了小麦根部和籽粒Cd含量,与对照处理相比降幅分别为7.7%和30.3%.小麦营养器官Cd含量及Cd转移因子结果显示,菌株Y4处理使Cd从基节向节间的转移因子降低79.3%,小麦节间Cd含量也随之降低50.9%.Cd赋存形态研究发现,菌株Y4处理增加了根和基节中残渣态Cd占比,降低了根系中无机态和水溶态Cd的含量,并提高了基节中残渣态Cd含量.进一步检测Cd的亚细胞分布发现,根细胞壁和基节细胞液中Cd含量增幅分别达21.3%和98.2%,可见菌株Y4处理提高了根细胞壁和基节细胞液对Cd的固定能力.深入研究根际土壤发现,菌株Y4处理使小麦成熟期根际伯克氏菌的相对丰度由9.6%提高至11.5%,并改变了土著微生物的群落结构,提高了Gemmatimonadales、Pseudomonadales和Chitinophagales等相对丰度,并降低了Acidobacteriota等相对丰度.同时,施加菌株Y4提高了根际土pH值,增幅达8.3%;降低了土壤中的可交换态Cd、碳酸盐结合态Cd和铁锰氧化物结合态Cd含量,其降幅分别达44.4%、21.7%和15.9%,而残渣态Cd比例高达53.6%.根施菌株Y4提高了土壤中硝态氮和铵态氮的含量,增幅可达22.0%和21.4%,并且碱解氮含量也有一定程度提高.由此可见,根施菌株Y4不但提高了土壤氮素可利用性,同时能够通过降低根际土壤中Cd有效性、提高小麦根和基节的Cd拦截固定能力,“两段式”阻控污染土壤中Cd向小麦籽粒的转运积累.故伯克氏菌Y4作为小麦降Cd促生菌剂具有一定的应用潜力.     

S-烯丙基-L-半胱氨酸缓解水稻种子幼根和幼芽镉胁迫机制

土壤Cd污染对水稻种子萌发和植株生长发育都具有毒害作用,最终可能导致稻谷产量下降及Cd含量超标.本文采用种子萌发试验研究了来源于大蒜提取物的天然含硫有机化合物S-烯丙基-L-半胱氨酸（SAC）缓解水稻种子幼根和幼芽Cd²⁺胁迫的潜在机制.本试验过程中选用我国南方稻区主栽水稻品种"中早35"种子作为试验材料,首先研究了SAC对水稻种子幼根和幼芽Cd²⁺胁迫的缓解效应;在此基础上,通过研究SAC对种子幼根和幼芽生理生化系统及Cd含量影响,探索了SAC缓解水稻种子幼根和幼芽Cd²⁺胁迫的生理机制;利用实时荧光定量PCR技术研究了SAC对水稻Cd转运蛋白编码基因表达水平的影响,探讨了SAC缓解Cd²⁺胁迫的分子机制.结果表明,当Cd²⁺胁迫浓度达到50 μmol·L^-1时水稻种子幼根和幼芽发育会受到显著抑制;当SAC添加浓度达到200 μmol·L^-1时,幼根的总根长、根表面积和根体积与50 μmol·L^-1Cd²⁺胁迫处理组相比分别增加173.5%、65.52%和37.04%;幼根和幼芽中CAT、SOD活性分别增加212.42%、110.76%和31.41%、47.31%;幼根和幼芽中MDA、GSH含量分别降低43.09%、34.12%和33.97%、35.74%;幼根和幼芽中Cd含量分别降低35.91%、28.86%.实时荧光定量PCR分析结果表明,添加SAC处理后Cd转运蛋白编码基因OsNramp5和OsHMA2的相对表达量与Cd²⁺胁迫处理组相比分别显著降低了33.38%和34.99%,OsHMA3的相对表达量与Cd²⁺胁迫处理组相比显著升高了33.96%.由以上试验结果可见,SAC降低水稻幼根和幼芽Cd²⁺胁迫的主要机制是SAC调控了Cd转运蛋白编码基因的表达水平,降低了Cd向幼根和幼芽中的转运,同时增加了Cd向液泡中的转运.     

伯克氏菌Y4对水稻幼苗镉损伤和镉吸收的影响

为探明伯克氏菌Y4（Burkholderia sp. Y4）对镉（Cd）胁迫下水稻幼苗的生长和Cd吸收积累的影响及其作用机制,以水稻低Cd积累品种湘早籼24（X24）和高Cd积累品种T优705（T705）为材料,通过水稻种子萌发和幼苗试验,利用非损伤微测技术和原子吸收等检测方法,研究外源施加伯克氏菌Y4对Cd胁迫下水稻生长和毒性损伤的影响及其抑制水稻Cd吸收积累的作用机制.结果表明,伯克氏菌Y4可以缓解Cd对水稻生长的抑制作用,使种子发芽势提高13.8%,此外,接种菌株Y4后7 d,水稻幼根和幼芽长度分别增长83.3%和12.2%,干重分别增加56.8%和12.5%,而接种菌株Y4后10 d,水稻幼根和幼芽长度分别增长28.6%和20.0%,干重分别增加113.2%和46.0%.深入研究发现,施加菌株Y4缓解了Cd胁迫下水稻的氧化应激损伤,显著降低了幼苗地上部及根系中氧化损伤产物丙二醛（MDA）的水平,降幅分别达到21.5%和16.9%;同时,Cd胁迫下水稻抗氧化酶活性的变化也在菌株Y4的作用下得到缓解,幼苗根系中超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性水平恢复至与无Cd空...     

叶施L-半胱氨酸对水稻镉和矿质元素含量的影响

为评估将L-半胱氨酸（L-Cys）作为水稻降Cd叶面调理剂的可行性,通过湖南的田间试验,采用小区试验法研究了L-Cys对水稻籽粒中Cd和矿质元素含量的影响,并通过检测水稻各营养器官的Cd分布和Cd赋存形态的变化,探究了L-Cys调控水稻籽粒Cd积累的作用机制.结果表明,在开花期叶面喷施一次L-Cys即可使水稻籽粒Cd含量显著降低,同时提高其Mg和K的含量,对Ca、Mn和Zn的含量无显著影响.L-Cys的降Cd效果随喷施浓度增加而增强,当浓度为10 mmol·L^-1时,籽粒中Cd含量降至我国食品安全标准0.2 mg·kg^-1以内,降幅达59.2%,同时显著降低了水稻营养器官穗轴、第一节、穗颈、旗叶、第二节间、第二节、第二叶、基部茎叶和根中的Cd含量,降幅分别为58.3%、56.0%、62.7%、67.0%、59.3%、61.5%、60.2%、54.9%和50.3%.水稻不同部位间的Cd转移因子显示,第一节是水稻营养体拦截有害元素Cd的关键器官.叶面喷施L-Cys提高了Cd从旗叶到第一节和第二节间到第一节的转移因子,增幅最高达105.4%和45.8%,并抑制了Cd从第一节继续向上到穗颈的转运,降幅最高达27.5%.在水稻第一节中,L-Cys处理同时降低了无机态、水溶态和残渣态Cd的含量,并提高了其中残渣态Cd的比例至94.4%.由此可见,叶面喷施L-Cys能够降低水稻各营养器官Cd积累量,并促进水稻中Cd向第一节的转运及其对Cd的固定作用,进而提高关键器官第一节对Cd的拦截能力,最终显著抑制Cd向籽粒中的转运积累,同时,叶面喷施L-Cys不降低水稻籽粒中矿质营养元素的含量,具有较好的应用前景.     

1株草螺属植物内生菌R-13的分离鉴定及对龙葵吸收土壤镉的影响

植物内生菌联合超积累植物修复重金属污染土壤可显著提高植物修复效率.从镉污染稻田水稻根系中分离获得1株编号为R-13的植物内生菌.分别利用显微观察、碳源利用及分子生物学手段将该菌株鉴定为1株红苍白草螺菌（Herbaspirillum rubrisubalbicans）;该菌株具有较强的耐Cd²⁺能力,在镉含量为300 mg·kg^-1的固体培养基上仍能生长.经显色反应发现R-13菌株具有产生铁载体和分泌吲哚乙酸（IAA）能力,此外,经Pikovskaya''s固体培养基和Ashby固体培养基试验表明R-13菌株溶磷作用微弱,但是具有较强的固氮能力.在盆栽试验中,利用高通量测序技术追踪R-13菌株在龙葵根部定殖情况,发现接种1次3 d后草螺菌属在龙葵根系内相对丰度相比空白对照（CK）增加201.88%,两次接种可使草螺菌属在龙葵根部的相对丰度相比CK增加1182.44%,接种5 d后草螺菌属在龙葵根系内相对丰度开始出现显著降低趋势.当接种20 mL·pot^-1菌液时对龙葵的根、茎、叶及果实中镉含量无显著影响,当接种菌液达到40 mL·pot^-1时可显著提高龙葵营养器官中的镉含量,当接种量达到200 mL·pot^-1时龙葵营养器官中镉含量最高.此时,根系中镉含量与对照组相比提高84.42%,茎秆中提高43.67%,叶片中提高64.06%,果实中提高20.29%.综上可见,根系接种植物内生草螺菌R-13可显著提高龙葵根系中草螺菌属的相对含量,同时可起到强化龙葵吸收镉的作用,该菌株在植物修复镉污染土壤技术中具有较好应用前景.