根際促生菌影響植物吸收和轉運重金屬的研究進展

郭軍康，董明芳，丁永禎，馮人偉，王瑞剛，徐應明

1. 農業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，中國農業(yè)科學院農田重金屬污染修復創(chuàng)新團隊，天津 300191；2. 農業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；3. 廣西大學農學院，廣西 南寧 530003

根際促生菌影響植物吸收和轉運重金屬的研究進展

郭軍康1*，董明芳1, 3，丁永禎2，馮人偉1，王瑞剛1，徐應明1

1. 農業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，中國農業(yè)科學院農田重金屬污染修復創(chuàng)新團隊，天津 300191；2. 農業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；3. 廣西大學農學院，廣西 南寧 530003

摘要：土壤重金屬污染對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴重危害，使得土壤重金屬污染修復成為全球關注的研究熱點之一。根際土壤中存在著數(shù)量和種類豐富的微生物種群，是根際環(huán)境中最重要的生物因素。重金屬污染土壤中根際微生物與植物根系以及土壤形成特殊根際微環(huán)境，影響植物重金吸收、轉運過程。根際促生菌通過產生植物生長激素類物質促進植物生長，改變根際微環(huán)境中重金屬元素生物有效性，增加修復植物重金屬吸收量，強化重金屬污染土壤植物修復效率。近年來，根際促生菌強化重金屬污染土壤植物修復效率相關研究文獻數(shù)量迅速增加，最新研究成果表明：根際促生菌通過菌體表面活性基團吸附，誘導植物系統(tǒng)抗性（ISR），激活植物抗氧化酶活性，分泌高親和性鐵載體（Siderophores）增加根際鐵供給量，競爭性抑制重金屬元素的根系吸收，改變植物重金屬的吸收、轉運及胞內分布過程，抑制重金屬元素向植物地上部分轉運，同時增加農作物產量。文章對根際促生菌影響植物重金屬吸收﹑轉運最新研究進展進行綜述，提出根際促生菌原位定殖，重金屬元素亞細胞分布和重金屬吸收、轉運分子調控機制等方面的深入研究，將有助于進一步闡明重金屬污染土壤植物根際促生菌-植物相互作用機制。通過根際促生菌調控農作物可食部分重金屬的累積量，為實現(xiàn)中低污染農田安全生產與修復研究提供新思路。

關鍵詞：植物根際促生菌；重金屬；吸收；轉運；污染土壤修復

引用格式：郭軍康，董明芳，丁永禎，馮人偉，王瑞剛，徐應明. 根際促生菌影響植物吸收和轉運重金屬的研究進展[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(7): 1228-1234.

GUO Junkang, DONG Mingfang, DING Yongzhen, FENG Renwei, WANG Ruigang, XU Yingming. Effects of Plant Growth Promoting Rhizobacteria on Plants Heavy Metal Uptake and Transport: A Review [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1228-1234.

重金屬礦產資源和化石燃料的大規(guī)模開發(fā)利用，工業(yè)“三廢”的大量排放以及含重金屬農藥、化肥的大量使用對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重污染（Rodríguez et al.，2008；Gomez-Sagasti et al，2012）。2014年4月環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布了全國土壤污染狀況調查公報，調查結果表明，全國土壤總的點位超標率為16.1%，且以重金屬為代表的無機污染物為主。土壤重金屬污染具有隱蔽性、潛伏性、不可逆性、長期性和危害大的特點，且存在修復時間長，治理成本高等難題，使得土壤重金屬的污染修復成為國內外研究的熱點和難點。土壤重金屬污染已成為影響生態(tài)環(huán)境、耕地質量、糧食安全、人體健康和社會發(fā)展的重要環(huán)境不利因素（Mclaughlin et al.，1999；周東美等，2011）。

重金屬污染修復經歷了客土法、原位物理電動修復法、原位鈍化修復等研究與實踐過程，上述修復技術具有修復效果好，時間短的優(yōu)點，但也存在耗費人力、物力和財力巨大，修復成本高，易于引入二次污染，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)安全等弊端（黃益宗等，2013）。植物修復技術由于其經濟、綠色、環(huán)境友好，且不引入二次污染等優(yōu)點逐漸為人們所重視。然而修復植物生長慢、生物量小、對重金屬有選擇性、周期長等缺點制約了植物修復技術的發(fā)展（朱雪竹等，2010）。根際土壤中存在著數(shù)量和種類驚人的微生物種群（每克土壤中存在4000～10000種原核微生物，總數(shù)約2×109個），它們與植物根系以及土壤形成特殊土壤微環(huán)境，是植物根際土壤中最重要的生物因素（Schloss et al.，2006）。研究發(fā)現(xiàn)，一些分離自重金屬污染土壤，對多種重金屬具有較高耐受性的植物根際促生菌能夠促進重金屬污染土壤修復植物生長，增加修復植物生物量，提高植物修復效率，使得植物-微生物聯(lián)合修復成為重金屬污染土壤生物修復研究熱點之一（韋革宏等，2010；Rajkumar et al.，2012；Long et al.，2013）。

值得注意的是，近年來植物根際促生菌調控農作物重金屬吸收、轉運，降低農作物可食部分重金屬累積的研究結果相繼被報道（Dary et al.，2010；Sarwar et al.，2010；Schue et al.，2011；De Souza et al.，2012；Wu et al.，2012；王立等，2014）。Ahmad et al.（2014）發(fā)現(xiàn)重金屬污染條件下，接種植物根際促生菌Klebsiella sp. CIK-502能夠增加小麥和玉米生物量，同時顯著降低地上部與地下部Cd含量。Guo et al.（2014）接種耐重金屬植物根際促生菌（Bradyrhizobium sp. YL-6）能夠同時降低Cd污染土壤大豆地下部分與地上部分Cd含量。本文通過綜述近期植物根際促生菌調控植物重金屬吸收、轉運研究進展，有助于進一步認識重金屬污染土壤植物根際促生菌-植物相互作用機制，結合我國農田重金屬污染特征，為實現(xiàn)中低污染農田安全生產與修復提供新研究思路與理論支持。

1　根際與植物根際促生菌

根際（rhizosphere）是指生物和物理特性受到植物根系影響的、緊密環(huán)繞根的土壤區(qū)域（Hiltner，1904）。根際是植物-土壤-微生物間相互作用的重要界面，在這一微小的土壤區(qū)域內，進行著植物與土壤的絕大部分物質、能量與信息交換，同時為植物正常生長發(fā)育提供著最基本的養(yǎng)分供給，被認為是植物-土壤系統(tǒng)中最活躍的部分。在重金屬污染農田中，根際既是作物養(yǎng)分輸送重要界面，也是重金屬元素通過作物吸收-轉運-累積-進入食物鏈的主要渠道（張福鎖，2008）。植物根際促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）是指以定殖或自由附著的方式生活在植物根際的一類細菌總稱。它可以通過產生植物生長激素如吲哚乙酸（Indole-3-acetic acid，IAA）、赤霉素（Gibberellins acid，GA）、脫落酸（Abscisic acid，ABA）或細胞分裂素（Cytokinins，CTK）等，分泌1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）脫氨酶、生物固氮、溶解無機磷酸鹽、拮抗植物病源菌入侵等方式促進植物生長（Kloepper et al.，1978）。

2　重金屬污染土壤植物根際促生菌多樣性

Burr et al.（1978）首先報道了兩株對馬鈴薯具有促生作用的PGPR以來國內外已發(fā)現(xiàn)超過20個屬的根際細菌具有潛在植物促生能力，常見如伯克霍爾德菌屬（Burkholderia）、固氮菌屬（Azotobacter）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、黃單胞菌屬（Xanthomonas）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）、固氮螺菌屬（Azospirillum）、腸桿菌屬（Enterobacter）、克雷伯氏菌屬（Klebsiella）、黃桿菌屬（Flavobacterium）和慢生型根瘤菌屬（Bradyrhizobium）等（De Souza et al.，2015）。孫樂妮等（2009）從Cu耐受型植物海洲香薷（Elsholtzia splendens）根際分離到27株具ACC脫氨酶活性、產吲哚乙酸、分泌較多的鐵載體且具有較高Cu耐受性的植物根際促生細菌，進一步分類學研究發(fā)現(xiàn)，這些菌株分屬于7個菌群，其中具ACC脫氨酶活性菌株分屬于變形菌門（Proteobacteria），γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）假單胞菌目（Pseudomonadales），莫拉氏菌科（Moraxellaceae）不動桿菌屬（Acinetobacter）和β-變形菌綱（Betaproteobacteria），伯克霍爾德氏菌目（Burkholderiales），產堿菌科（Alcaligenaceae）產堿菌屬（Alcaligenes）。欒靜（2012）研究發(fā)現(xiàn)Cu脅迫下，海洲香薷（E. splendens）根基部1 cm區(qū)域內微生物多樣性較高，群落結構特征較為接近，且此區(qū)域內土壤Cu生物有效性高于非根際區(qū)域，對根際和非根際兩種土壤微生物多樣性采用梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）和熒光定量PCR（RT-PCR）特征分析結果表明，變形菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）是海州香蕾根際優(yōu)勢細菌種群，然而重金屬脅迫誘導厚壁菌門（Firmicutes）所屬芽孢桿菌菌屬（Bacillus）種群出現(xiàn)在Cu污染土壤海洲香薷根際。Luo et al.（2011）從Cd超積累植物龍葵不同組織（根、莖、葉）中分別分離得到30株耐重金屬植物促生菌，分類學研究表明其分別歸屬于放線菌門（Actinobacteria）占43%，變形菌門（Proteobacteria）占23%，擬桿菌門（Bacteroidetes）占27%和厚壁菌門（Firmicutes）占7%。通過分析近年來已報道的，分離自重金屬污染土壤植物根際促生菌種屬分布特征，我們發(fā)現(xiàn)：常見植物根際促生菌主要分布于細菌域（Bacteria），厚壁菌門（Firmicutes），芽孢桿菌綱（Bacilli）、變形菌門（Proteobacteria），α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）、β-變形菌綱（Betaproteobacteria）和γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria），放線菌門（Actinobacteria），放線菌綱（Actinobacteria）以及真核域（Eukarya），球囊菌門（Glomeromycota），如表1所示。對于重金屬脅迫條件下，植物根際促生菌的分類學研究有助于我們進一步認識重金屬脅迫與植物根際促生菌種群多樣性及其變化規(guī)律，為新的重金屬耐性菌株篩選及其緩解宿主植物重金屬脅迫機制研究提供分類學與系統(tǒng)發(fā)育學指導。

3　植物根際促生菌強化重金屬污染土壤植物修復

3.1產生植物生長激素提高修復植物生物量

植物根際促生菌能夠通過直接合成植物生長激素等化學物質（如吲哚乙酸（Indole acetic acid，IAA），脫落酸（Abscisic acid，ABA），細胞分裂素（Cytokinin，CTK）和赤霉素（Gibberellin，GA）等）緩解重金屬等環(huán)境因子脅迫，促進植物生長發(fā)育。Guo等（2011）從重金屬復合污染土壤分離篩選到一株能夠耐受多種重金屬（Pb 800 mg·L-1，Cd 1500 mg·L-1，Cu 150 mg·L-1，Zn 2500 mg·L-1），且具有產生植物生長激素（IAA），分泌鐵載體（Siderophores）和ACC脫氨酶的伯克氏菌D54 （Burkholderia sp. D54）。重金屬復合污染土壤盆栽試驗結果表明，接種伯克氏菌D54顯著提高了Cd/Zn超積累植物東南景天（Sedum alfredii Hance）生物量及重金屬鉛累積量。何琳燕等（2011）南京棲霞鉛鋅銀礦區(qū)茄科Cd超積累植物龍葵（Solanum nigrum L.）葉片和根及根際土壤分離篩選到5株能夠產生吲哚乙酸（IAA）和鐵載體且具有Cd抗性芽孢桿菌（Bacillus），其中菌株AR1、AY1、BGJ4能夠顯著促進油菜（Oilseed rape）幼苗根的伸長。陳生濤等（2014）究發(fā)現(xiàn)接種耐Cu植物根際促生菌Rhizobium sp.W33能夠顯著促進黑麥草根系對Cu的吸收，增加根部Cu累積量，與此同時Rhizobium sp.W33能夠提高Cu的富集系數(shù)和轉移系數(shù)，使得黑麥草地上部的Cu含量增加。羅雅（2012）從重金屬污染土壤分離篩選到一株Pb和Cd耐性菌株（Ochrobactrum sp. J3），盆栽試驗結果表明，接種菌株J3的香根草（Vetiveria zizanioides）生物量是不加菌的2.1倍，其地上部分鉛、鎘的含量分別是不加菌的2.8和6.0倍。據(jù)統(tǒng)計，根際土壤細菌中大約80%具有產生IAA的生理特性。重金屬污染條件下，植物根際促生菌可能通過分泌植物生長激素，刺激植物根系生長，增加根系吸收面積，從而提高植物根系重金屬吸收效率，增加修復植物重金屬累積量（馬瑩等，2013）。

表1　重金屬污染土壤常見植物根際促生菌及其多樣性Table 1 The most frequently studied PGPR and their phylogenetic classification

3.2分泌ACC脫氨酶緩解修復植物重金屬脅迫

乙烯是重要的植物系統(tǒng)防御信號分子之一。重金屬等逆境脅迫促使植物體內乙烯濃度急劇升高，抑制植物正常生長發(fā)育活動，以應對逆境脅迫可能對植物體造成的損傷。Sheng et al.（2008）從重金屬污染土壤生長油菜根系組織中分離到兩株對重金屬鉛有較強耐受性，且具ACC脫氨酶的植物促生菌Pseudomonas fluorescens G10和Microbacterium sp.G16，在鉛污染土壤盆栽試驗中，接種菌株G10 和G16顯著提高了油菜（Brassica napus）生物量和鉛積累量。Luo et al.（2011）從Cd超積累植物龍葵不同組織中分離得到18株具有ACC脫氨酶活性植物促生菌，其中四株回接龍葵后能夠緩解Cd對宿主植物的毒害，接菌后龍葵地下部分干重增加了55%～143%，地上部分干重增加了64%～100%；地下部分Cd總累積量增加了66%～135%，地上部分Cd總累積量增加了22%～64%。ACC是植物體乙烯合成的前提物質，具有ACC脫氨酶活性的植物根際促生菌能夠通過分解ACC為α-丁酮酸（α-ketobutyrate）和氨分子，從而降低植物體內乙烯合成量，緩解重金屬等環(huán)境脅迫對植物體生長發(fā)育的影響，增加修復植物重金屬耐受性。

3.3增加根際土壤重金屬生物有效性

土壤中重金屬元素能夠與磷酸鹽礦物通過表面離子交換、絡合及陽離子共沉淀等方式形成難溶性磷酸鹽沉淀（徐超等，2012）。研究發(fā)現(xiàn)，一些植物根際促生菌能夠通過分泌低分子量有機酸降低土壤溶液pH值或分泌胞外磷酸酶等方式溶解土壤難溶性無機磷酸鹽。然而，磷元素被釋放的同時與之結合的重金屬離子亦被活化，根際土壤重金屬離子有效態(tài)的增加有利于植物根系對重金屬離子的吸收與轉運。Jeong et al.（2012）在Cd污染土壤條件下，將具有溶磷作用的一株巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）接種印度芥菜（Brassica juncea）和苘麻（Abutilon theophrasti），結果表明：接種巨大芽孢桿菌使得供試植物根際土壤可交換態(tài)Cd含量顯著增加，而印度芥菜和苘麻莖干中Cd累積量分別提高了39%和68%。此外，Prapagdee et al.（2013）究發(fā)現(xiàn)，接種耐Cd植物根際促生菌Micrococcus sp. MU1和Klebsiella sp. BAM1能夠通過產生植物生長激素（IAA）促進向日葵生長，增加其地下部與地上部生物量。此外，接種耐Cd植物根際促生菌Micrococcus sp. MU1和Klebsiella sp. BAM1能夠增加根際土壤水溶態(tài)Cd濃度（土壤水溶態(tài)Cd濃度分別增加了2.65和2.68倍），提高向日葵根系對于Cd的吸收，從而提高重金屬污染土壤植物修復效率。Jiang et al.（2008）從重金屬污染土壤分離得到一株具有溶磷等植物促生作用的伯克氏菌（Burkholderia sp. J62），盆栽條件下接種玉米和番茄，結果表明該菌具有較強土壤重金屬（Pb 和Cd）活化能力，能夠顯著提高供試植物根際玉米和番茄土壤可交換態(tài)Pb和Cd含量，且供試玉米和番茄Pb、Cd含量與未接菌對照組相比分別升高了38%～192%和5%～191%。另外，接種耐重金屬植物根際促生菌（分別歸屬于Pseudomonas，Proteus，Bacillus，Enterobacter）能夠通過活化根際土壤重金屬，增加根際重金屬生物有效性，促進Cd超積累植物龍葵（S. nigrum L.）Cd累積量（黃文，2011；劉莉華，2013）。

4　植物根際促生菌對作物重金屬吸收、轉運的抑制作用

在重金屬等環(huán)境脅迫下，由于植物營養(yǎng)體的不可移動性，使其喪失了類似動物的逃避機制。然而經過漫長的進化過程，植物根系與根際微生物演化出復雜而有效的相互作用關系，來應對各種復雜的生物與非生物脅迫。接種耐重金屬植物根際促生菌能夠有效提高植物生物量，改變一些修復植物重金屬累積量，提高了重金屬污染植物修復效率。值得注意的是，近年來一些研究表明，接種植物根際促生菌能夠在緩解植物重金屬毒害的同時降低農作物重金屬累積量。已有研究表明，植物根際促生菌主要通過以下幾個方式調控作物重金屬累積量。

4.1菌體細胞壁與胞外多糖介導的重金屬離子吸附

微生物菌體細胞壁化學組成賦予其帶負電核的特性，細胞壁上帶負電的活性基團通過靜電吸附，離子交換及螯合作用等方式與游離態(tài)重金屬離子結合，降低金屬離子在土壤中的生物有效性。此外，菌體分泌胞外多糖類物質（Exopolysaccharides，EPS）亦被證實能夠吸附根際游離態(tài)重金屬離子，減少根際土壤中重金屬的生物有效性。附著于植物根系的植物根際促生菌通過菌體細胞壁和胞外多糖類物質對于游離態(tài)重金屬離子的吸附作用有助于降低根際有效態(tài)重金屬離子濃度，緩解重金屬對植物的毒害，減少植物根系對于重金屬離子的吸收。Schue et al.（2011）研究發(fā)現(xiàn)，一株分離自向日葵（Helianthus annuus）根際的根瘤菌菌株（Rhizobium alamii MSΔGT）通過分泌胞外多糖，在宿主植物根系形成一層保護膜，阻控根際游離態(tài)Cd2+離子進入植物根系組織。Dary et al.（2010）研究發(fā)現(xiàn)接種植物促生菌Bradyrhizobium sp. 750，Pseudomonas sp.和Ochrobactrumcytisi能夠緩解重金屬對于黃羽扇豆（Lupinus luteus）毒害作用，顯著增加黃羽扇豆生物量，并且顯著降低植物根系組織重金屬（Cd、Pb、Zn和Cu）含量與植物地上部分重金屬（Cd和Pb）含量。Guo et al.（2014）研究發(fā)現(xiàn)，接種耐Cd植物促生菌（Bradyrhizobium sp. YL-6）能夠同時降低生長在Cd污染土壤大豆地下部分與地上部分Cd含量。

4.2誘導植物系統(tǒng)抗性（ISR）降低作物重金屬毒害

植物根際促生菌能夠通過誘導植物系統(tǒng)抗性（Induced systemic resistance，ISR），上調脅迫響應相關基因表達，增加抗氧化酶活性等方式降低植物重金屬毒害（Gopalakrishnan et al.，2014）。植物組織細胞中由于重金屬等環(huán)境脅迫因子產生的超氧陰離子自由基O-2通過超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）等抗氧化酶催化作用被轉化成H2O2和O2，而在過氧化氫酶（Catalase，CAT）和過氧化物酶（Peroxidase，POD）等作用下H2O2被進一步轉化成H2O，從而減少活性氧對植物細胞的傷害。據(jù)報道，植物體約有67%的抗氧化酶或蛋白參與重金屬解毒過程（Ove?ka et al.，2014）。馬文麗等（2005）研究發(fā)現(xiàn)，接種沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）能夠通過增加植物內源抗氧化酶活性同時增加同工酶表達，緩解Cd對于黑小麥的脅迫，促進黑小麥幼苗生長。郭凌等（2008）研究發(fā)現(xiàn)隨著Cd處理濃度和時間的增加，小麥葉片抗氧化酶SOD和CAT活性降低。接種球形紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）提高葉片抗氧化酶SOD和CAT活性，緩解Cd對小麥幼苗毒害作用。De Souza et al.（2012）在Pb污染土壤中接種VA菌根，球囊菌門（Glomeromycota）幼套球囊霉（Glomusetunicatum）能夠促進毛蔓豆（Calopogonium Desv）對養(yǎng)分吸收，從而增加毛蔓豆生物量，但對毛蔓豆地上部Pb吸收沒有顯著影響。生理生化研究表明，接種幼套球囊霉能夠降低質膜脂質的過氧化反應，緩解重金屬毒害。王立等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，Cd污染條件下接種叢枝菌根真菌（Arbuscularmycorrhizal fungi，AMF）摩西球囊霉（Glomusmosseae）和根內球囊霉（Glomusintraradice）使得水稻葉片丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量顯著降低，SOD活性和Pro（脯氨酸）的含量顯著提高。與此同時降低水稻對Cd的富集系數(shù)與轉運系數(shù)，抑制了Cd向地上部分轉運的趨勢。此外，Gururani et al.（2013）研究發(fā)現(xiàn)，植物根際促生菌（Bacillus pumilus str. DH-11和Bacillus firmusstr. 40）能夠上調茄科植物馬鈴薯體內抗氧化酶（ROS-scavenging enzymes，SOD，和Ascorbateperoxidase，APX）基因轉錄水平，而植物抗氧化酶活性升高能夠有效緩解重金屬鋅等對馬鈴薯毒害作用。

4.3鐵載體介導的微量元素與重金屬離子競爭機制

地殼中存在大量鐵元素（含量排名第4位），由于地球富氧環(huán)境造成地殼中鐵元素主要以不能被生物直接利用的Fe3+形式存在，且土壤中Fe3+附著于土壤顆粒及金屬礦物表面形成微小團聚體形態(tài)，不利于被生物吸收利用（蒙淵，2011）。作為主要的物質循環(huán)推動者，土壤微生物具備了以分泌鐵載體（Siderophores）的方式獲得生長必需鐵元素的能力。鐵載體是一類在低鐵條件下，主要由微生物胞內產生并分泌到胞外的，對Fe3+具有很強絡合作用（絡合系數(shù)達1020～1030）的小分子量有機物（Castignetti et al.，1986）。鐵載體通常分子量在500～1500 Da之間，八面體構型的異羥肟酸或者鄰苯二酚衍生物。鐵載體包括氧肟酸鹽型（Hydroxamicacid）、兒茶酚鹽型（Catecholamine）、檸檬酸鹽型（Citrie acid）和混合型（Neilands，1995）。缺鐵條件下，盡管一些禾本科植物也能夠通過合成少量植物鐵載體增加根系鐵吸收，但是根際鐵載體分泌細菌對植物鐵吸收具有重要促進作用。研究發(fā)現(xiàn)，紅三葉和番茄能夠通過改變根際微生物群落結構，增加鐵載體分泌細菌種群和數(shù)量的方式有效應對缺鐵脅迫（金崇偉，2008）。植物根際促生菌通過分泌鐵載體螯合根際土壤Fe3+元素在植物根系附近富集，并通過根表螯合鐵還原酶（Ferric helatereductase，F(xiàn)RO）將Fe3+還原為植物能夠利用的Fe2+。還原態(tài)鐵在分布于根表皮細胞的鐵高親和性載體（Iron response transporter1，IRT1）介導下被轉運進入根系養(yǎng)分轉運系統(tǒng)，供給葉片等地上部組織器官生長發(fā)育所需Fe元素（Kobayashi et al.，2012）。研究表明，植物生長必需金屬元素（Fe，Zn，Cu和Mn等）進入植物根系主要通過與根系表皮細胞主動吸收，以及表皮細胞膜特定轉運蛋白（鐵載體IRT1和鋅轉運蛋白ZIP）的參與使得金屬元素吸收轉運具有一定的專一性，有利于植物調控體內金屬元素濃度，避免過量金屬元素毒害效應（Sebastian et al.，2014）。盡管一些重金屬元素（如Cd等）為植物生長非必需元素，然而研究發(fā)現(xiàn)Cd與其他植物生長必需元素（如Fe和Zn等）具有相似的性質與結構，能夠通過競爭其他金屬離子轉運通道的方式進入植物體內（Nazar et al.，2012）。Wu et al.（2012）通過研究植物擬南芥吸收Fe元素與Cd相互作用機制發(fā)現(xiàn)，添加高濃度Fe能夠誘導植物鐵吸收轉運相關基因（FIT）表達，以增加地上部分的鐵含量的方式抑制Cd向地上部分轉運。Sinha et al.（2008）研究發(fā)現(xiàn)，接種具有鐵載體分泌能力的植物根際促生菌Pseudomonas. aeruginosa KUCd1使得西葫蘆（Cucurbita pepo）地下部分與地上部分Cd含量分別降低了59.2%和47.4%，使得印度芥菜（Brassica juncea）地下部分與地上部分Cd含量分別降低了52.4%和36.9%。Tank et al. （2009）報道了重金屬Ni污染土壤接種分泌鐵載體植物根際促生菌（Pseudomonas sp.）能夠顯著增加鷹嘴豆生物量，同時降低鷹嘴豆Ni含量（與對照比降低50%）。Guo et al.（2014）研究發(fā)現(xiàn)Cd污染條件下，接種具有鐵載體分泌能力的植物促生菌（Bradyrhizobium sp. YL-6）能夠顯著增加大豆葉片F(xiàn)e和Mg元素含量，而顯著降低Cd元素含量，與此同時葉片光合色素含量顯著增加。這些發(fā)現(xiàn)為采用環(huán)境友好的植物根際促生菌調控作物重金屬吸收轉運，降低作物可食部分重金屬累積，實現(xiàn)中低污染農田安全生產與修復提供新研究思路與理論支持。

5　展望

眾多研究表明植物根際促生菌能夠通過其自身代謝活動，產生植物生長激素促進植物生長，增加根際土壤重金屬元素生物有效性，提高重金屬超積累植物重金屬累積量，從而提高污染土壤植物提取修復效率。與此同時，植物根際促生菌通過影響植物細胞生理活動，誘導植物系統(tǒng)抗性（ISR），激活植物抗氧化酶活性，通過分泌高親和性鐵載體的方式增加根際鐵供給，競爭性抑制重金屬元素的根系吸收轉運，影響植物重金屬的吸收轉運及胞內分布過程，從而降低重金屬的植物累積量。重金屬脅迫下，植物根際促生菌與宿主植物間相互作用關系研究成果，使我們認識到植物根際促生菌在根際土壤重金屬遷移轉化過程中所起的重要作用。總結前期研究進展，展望今后一段時期內研究工作，以下幾個方面需要給予更多的關注：（1）植物根際促生菌與宿主植物原位定殖特征研究，通過原位探針標記技術深入揭示菌株根際定殖過程，為高效修復菌劑開發(fā)與使用提供理論與技術支持；（2）根際促生菌代謝產物種類、結構與性質對宿主植物根系組織重金屬元素亞細胞分布的影響有待深入研究；（3）根際促生菌影響植物重金屬吸收、轉運生理過程與分子調控機制需要進一步闡明。

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Effects of Plant Growth Promoting Rhizobacteria on Plants Heavy Metal Uptake and Transport: A Review

GUO Junkang1*, DONG Mingfang1, 3, DING Yongzhen2, FENG Renwei1, WANG Ruigang1, XU Yingming1
1. Innovation Team of Remediation for Heavy Metal Contaminated Farmland of Chinese Academic of Agricultural Sciences, Institute of Agro-Environmental Protection, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China; 2. Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China; 3. Department of Agriculture, Guangxi University, Nanning 530003, China

Abstract:Given that soil pollution heavy metals is a major threat to ecological environment and human well-being. The remediation of heavy metals polluted soils is a hot topic of global concern being vigorously studied these days. This paper presents a review of the current research of the plant growth promoting rhizobacteria (PGPR), which are known to play a particular vital role in rhizosphere heavy metals uptake and translocation of plants. The rhizosphere soil harbored a wide variety of microorganisms that are key factors dominating the rhizosphere environment. As known, the rhizosphere provides a complex and dynamic microenvironment where microorganism in metal contaminated soils, in association with the surroundings of plant roots and rhizosphere soil. The PGPG have been shown to possess several characteristics that can alter heavy metal bioavailability, through releasing of plant growth hormones, and thus accentuating heavy metals uptake in plants, eventually resulting in the improvement of phytoremediation efficiency for heavy metal contaminated soil. To date, there has been a boom in numbers of studies that focus on the reinforcement of phytoremediation efficiency involved in the heavy metals tolerant PGPR. Latest studies show that the PGPG could enhance agricultural yields with preventing the upward transport of metal ions to the above ground parts of plants or crops via several mechanism such as, accelerating the metal absorption onto cell rhizobacteria cell wall active and functional groups, inducing plant systemic resistance (ISR), triggering the antioxidant enzymes activity, secreting high affinity iron carrier termed Siderophores into rhizosphere, competitively inhibiting the heavy metal uptake by roots, and modifying the processes of absorption, transportation and intracellular distribution of metal ions. This review provides new progresses about the mechanisms possessed by PGPR that ameliorate heavy metal stress of plants and how the Cd accumulation reduced by the inoculants. Furthermore, the studies of PGPR highlight suit colonization, subcellular distribution and the molecular mechanism of heavy metal uptake and transportation will help to clarify the PGPR-plant interaction mechanism. The conclusion of this review highlight a new insight into the exploration of PGPR on heavy metal contaminated soil crops safety production and remediation.

Key words:plant growth promoting rhizobacteria (PGPR); heavy metal; uptake; transportation; soil contamination remediation

收稿日期：2015-03-24

作者簡介：郭軍康（1980年生），男，助理研究員，博士，主要從事重金屬污染植物-微生物聯(lián)合修復研究。E-mail: frankerry@163.com

基金項目：中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金（農業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所）；國家自然科學基金項目（41001191；41473115）；天津市自然科學基金項目（12JCYBJC14900）

中圖分類號：X17

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）07-1228-07

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.023