根瘤菌-豆科植物共生體系修復及響應土壤重金屬污染機制研究進展

石千卉，袁曉霞，李 晴，包振江，喬美玲，張 波，冀照君

（內(nèi)蒙古民族大學生命科學與食品學院，內(nèi)蒙古 通遼 028043）

土壤環(huán)境直接影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及農(nóng)作物產(chǎn)量，近年來，煤炭、稀土等資源的大力開采及工業(yè)廢棄物排放，致使土壤環(huán)境日益惡化，其中，重金屬污染問題尤為突出[1］。土壤中高濃度的重金屬含量將導致肥力下降，作物產(chǎn)量與質(zhì)量下降，甚至可以通過生物的食物鏈進行傳遞和轉(zhuǎn)移，嚴重威脅到人類健康和自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[2］。因此，土壤重金屬污染的控制和治理是目前全球面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，引起了世界各國政府的高度關(guān)注。

1 土壤重金屬污染修復的重要性及研究現(xiàn)狀

1.1 土壤重金屬污染修復的重要性

土壤中含有大量的有機質(zhì)、無機礦物質(zhì)以及十分復雜的微生物菌群結(jié)構(gòu)，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，對酸、堿、高溫、重金屬污染等環(huán)境因子高度敏感[2］，其中，土壤重金屬污染具有積累時間長、破壞力強、隱蔽性高等特點。化學肥料、大氣沉降、污水灌溉、固廢沉積是導致土壤重金屬污染的主要來源[3-4］。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有較強的自我凈化功能，然而，大量的重金屬污染已遠遠超出其凈化能力。據(jù)研究證明，土壤污染與大氣污染、水體環(huán)境污染密切相關(guān)，土壤重金屬污染得不到修復，大氣和水體環(huán)境重金屬污染難以從根本上解決，自然生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞[5］。因此，土壤重金屬污染的修復已經(jīng)成為一個亟待解決的現(xiàn)實問題，否則將難以維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

1.2 土壤重金屬污染修復的研究現(xiàn)狀

近年來，世界各國都高度重視重金屬污染土壤的修復技術(shù)研究工作。目前，重金屬污染土壤的修復技術(shù)主要為物理、化學修復和生物修復。傳統(tǒng)的物理、化學修復技術(shù)包括客土法、電荷富集法、土壤淋洗法，通過大幅度調(diào)整土壤的pH 值、電荷、水分含量等固定或分離重金屬，雖然該處理方法效率高、風險程度低，但修復成本高，對土壤生態(tài)環(huán)境的破壞性較大，不能從根本上修復土壤[6-7］。生物修復技術(shù)包括植物修復、微生物修復以及植物-微生物聯(lián)合修復。植物修復是借助具有強富集能力的植物，對重金屬污染物采取提取、固定、揮發(fā)等方法進行去除，因其成本低、無二次污染、對環(huán)境影響小等特點備受青睞，但同時因為強富集植物生長周期長、生物量小、對環(huán)境要求高等缺點限制了實際應用[8］。微生物修復是在土壤中接入外源微生物后借助螯合、沉淀等作用，富集重金屬，降低重金屬毒性，成本低且修復效果較好，但該技術(shù)需要滿足土壤中微生物生長繁殖的溫度、水分、鹽濃度等條件，因此，具有一定的局限性[9］。

研究人員發(fā)現(xiàn)，植物-微生物聯(lián)合修復通過植物與微生物的協(xié)同作用可有效去除土壤環(huán)境中的重金屬含量，具有高效性和生態(tài)可持續(xù)性，相比單一生物修復更有優(yōu)勢[10-11］。根瘤菌不僅能夠營腐生生活在土壤中，還可以與豆科植物形成共生體系，改變土壤中重金屬的化合態(tài)，進而提高宿主植物對重金屬的富集能力和轉(zhuǎn)化速度，降低重金屬對土壤的毒副作用[12］，土壤重金屬修復效率較高，應用前景十分廣闊。

2 根瘤菌-豆科植物共生體系修復及響應土壤重金屬污染的機制研究

2.1 耐受重金屬脅迫的根瘤菌菌株篩選與應用

根瘤菌可以直接刺激并促進宿主植物的生長發(fā)育，刺激宿主IAA植物激素的產(chǎn)生、磷酸鹽的溶解、鐵載體的分泌以及一些特定酶的合成，降低植物中乙烯的脅迫程度，從而減少重金屬對植物的毒副作用[13］。研究表明，在富含大量重金屬污染物的土壤中，部分具有一定耐重金屬能力的根瘤菌，在豆科植物根部形成根瘤后可以增強宿主對重金屬的耐受性，促進植物生長繁殖，提高土壤修復效率[13］。WANI等[14］從生長在重金屬污染土壤的豌豆根瘤中分離得到1株根瘤菌（Rhizobium leguminosarumRL9），該菌株對鉛的耐受性高達1 600 μg·mL-1，在鉛污染土壤中仍然能夠誘導植物產(chǎn)生大量的吲哚-3-醋酸（IAA），同時對鐵載體、氰化氫（HCN）和氨也呈陽性，具有促進植物生長的作用。KARTHIK等[15］從菜豆根瘤中分離出根瘤菌（Rhizobiumsp. ND2），發(fā)現(xiàn)該菌株具有吸收和固定鉻（VI）的能力，在重金屬鉻的脅迫下可促使植物產(chǎn)生IAA、胞外多糖（EPS）、氨、蛋白酶和過氧化氫酶，能有效促進植物根的生長。OUBOHSSAINE 等[16］從Oujda地區(qū)（摩洛哥）周圍受到高濃度重金屬污染的廢棄礦區(qū)土壤中分離出的6株根瘤菌，在多種重金屬污染的土壤中仍然具有促進豆科巖黃芪植物生長的能力，菌株LMR291、LMR340、LMR249 和LMR283 顯著提高了巖黃芪植物各項生長指標、光合色素含量和抗氧化酶活性，因此，根瘤菌是一類被廣泛應用于重金屬生物修復法的細菌。

2.2 根瘤菌耐受土壤重金屬脅迫的機制

在自然進化過程中，長期營腐生生活在土壤中的根瘤菌對有毒有害物質(zhì)和惡劣環(huán)境產(chǎn)生了較強的適應性，進而能夠耐受高濃度的重金屬離子[13］。根瘤菌胞外分泌物形成的外層屏障中含有大量的胞外多糖、脂多糖、糖蛋白等結(jié)合物，通過與重金屬離子的絡合作用，可以降低或阻礙重金屬離子進入菌體內(nèi)部[17］。即使微量的重金屬進入細胞內(nèi)，根瘤細胞還可以借助金屬硫蛋白、細胞溶質(zhì)與重金屬螯合，在一定程度上減少重金屬對根瘤菌的毒副作用[18］。除此之外，根瘤菌還具有從細胞內(nèi)排出重金屬離子的抗重金屬機制[19］。

目前，許多研究者從分子水平深入研究了根瘤菌耐受重金屬毒性作用的機制，發(fā)現(xiàn)根瘤菌在進化過程中獲取了抗重金屬的關(guān)鍵基因。HAO 等[20］從鋅和鉛礦區(qū)分布的刺槐根瘤中分離得到中慢生根瘤菌（Mesorhizobium amorphaeCCNWGS0123），全基因組分析發(fā)現(xiàn)，該菌株攜帶了多個與銅抗性相關(guān)的基因，例如編碼RND 型銅外排系統(tǒng)（cusAB）、重金屬外排和隔離系統(tǒng)（P1B-type ATPases）以及銅抗性決定基因的操縱子（如多銅氧化酶、外膜蛋白和藍色銅氧化酶等）。MAYNAUD等[21］從黃花苜蓿中分離得到中慢生根瘤菌（M. amorphaeSTM 2683和M. amorphaeSTM 4661），經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這兩株菌對鋅和鎘的耐受程度較高，全基因組分析并鑒定出13個可能參與鋅和鎘金屬外排和隔離系統(tǒng)的基因序列且高度同源；轉(zhuǎn)錄組學分析發(fā)現(xiàn)，編碼高親和力ABC 型鋅運輸系統(tǒng)的同源基因znuABC可能參與了細胞內(nèi)鋅離子的動態(tài)平衡。綜上所述，根瘤菌耐受并修復重金屬污染的機制主要是細胞膜重金屬排出的形態(tài)變化、金屬硫蛋白的螯合作用、新陳代謝將重金屬轉(zhuǎn)化為毒性較小的氧化形式[22］。

2.3 根瘤菌接種豆科植物形成共生體系對土壤重金屬污染的修復和響應

根瘤菌接種豆科植物形成的共生體系能夠提高宿主根系對重金屬的固定效應，使重金屬在根系分泌物作用下聚集在根部，防止重金屬土壤中隨著水分發(fā)生遷移現(xiàn)象，達到良好的修復效果。GUO等[23］對大豆接種耐鎘的慢生根瘤菌（Bradyrhizobium sp. YL-6）后，與未接種根瘤菌的陰性對照相比，宿主大豆根際鎘濃度顯著增加，大豆體內(nèi)鎘濃度顯著減少。隨后，CHEN等[24］對紫花苜蓿接種了耐銅的中華根瘤菌（Sinorhizobium melilotiCCNWSX0020）后，緩解了土壤中高濃度銅對紫花苜蓿幼苗生長的毒害作用，為宿主提供氮素營養(yǎng)的同時增加了植物根系銅的聚集，抑制了紫花苜蓿對重金屬的吸收。假單胞菌（Pseudomonas sp.）、金雀兒根瘤蒼白桿菌（Ochrobactrum cytisi）等植物生長促生菌（PGPRs）聯(lián)合根瘤菌接種豆科植物，植物根部重金屬鉛、鎘和鋅的積累量均減少了50%以上，大大緩解了重金屬對植物的毒害作用，增強了生物修復能力[25］。

抗重金屬根瘤菌接種豆科植物，不僅能夠增加重金屬在根系的聚集量，宿主還能夠響應高濃度重金屬污染，降低豆科植物體內(nèi)重金屬的吸收量，從而減緩重金屬對豆科植物的危害作用。WANI等[26］對扁豆接種耐多金屬且促進植物生長的慢生根瘤菌（Bradyrhizobium sp. RM8）后，扁豆的生長量、結(jié)瘤率、葉綠素含量、血紅蛋白含量等指標均顯著高于未接種根瘤菌的陰性對照組，同時降低了宿主扁豆對鎳的吸收量，促進植物在鎳污染土壤中的快速生長繁殖。在鎳和鋅的含量分別為580 mg·kg-1和9 780 mg·kg-1的土壤中，將根瘤菌（Rhizobium sp. RP5）接種到豌豆根部，宿主植物的根瘤數(shù)、產(chǎn)量、根與莖中含氮量等指標都顯著提高，根瘤中谷胱甘肽還原酶活性較強，有效降低了豌豆對鎳和鋅吸附量[27］，為重金屬污染土壤中豌豆的規(guī)?；N植提供了良好的種植模式。QUI?ONES等[28］對羽扇豆接種耐汞的慢生根瘤菌（Bradyrhizobium canarienseL-7AH）后，發(fā)現(xiàn)羽扇豆在汞濃度極高的情況下，光合效率仍然較高，固氮酶活性較為穩(wěn)定，能夠發(fā)揮高效的結(jié)瘤固氮作用。因此，根瘤菌的結(jié)瘤固氮作用可以促進宿主植物在重金屬污染土壤中的生長繁殖，并有效遏制重金屬在植物體內(nèi)的積累，實現(xiàn)規(guī)?；N植。

3 總結(jié)

目前，土壤重金屬污染問題日益嚴重，如何保護和修復土壤環(huán)境、探究高效生物修復技術(shù)是當前的瓶頸問題。大量研究表明，部分根瘤菌在重金屬脅迫時能夠產(chǎn)生胞外多糖、脂多糖、糖蛋白等結(jié)合物形成外層屏障以及與重金屬離子絡合等機制，呈現(xiàn)出較強的重金屬耐受性，接種豆科植物形成共生體系，能夠有效修復和響應土壤重金屬污染，是一種高效的生物修復和響應方式，進而緩解重金屬對豆科植物的毒副作用。

然而，目前已發(fā)現(xiàn)的耐受重金屬根瘤菌菌株相對較少，根瘤菌耐受不同種類的重金屬污染機制還有待進一步研究。因此，尚需篩選出耐受多種重金屬脅迫的高效根瘤菌，將根瘤菌與根際促生菌聯(lián)合接種豆科植物，有效提高豆科植物結(jié)瘤固氮能力，揭示根瘤菌-豆科植物共生體系修復和響應土壤重金屬污染的分子調(diào)控機制，為重金屬污染土壤中根瘤菌接種豆科植物的種植模式研究提供重要參考。