刺兒菜鎘富集特征及其根際細(xì)菌群落對鎘脅迫的響應(yīng)

摘要 ［目的］探明刺兒菜在重金屬Cd脅迫下的生長、Cd積累特性以及根際細(xì)菌群落變化規(guī)律。［方法］通過溫室盆栽試驗(yàn)，對比不同Cd含量（0、4和16 mg/kg）土壤中刺兒菜的生長和Cd積累特征差異，利用16S rDNA基因高通量測序技術(shù)，探究刺兒菜根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在不同土壤Cd梯度下的變化規(guī)律。［結(jié)果］刺兒菜地上部和根部對Cd脅迫的響應(yīng)明顯不同。株高、基徑和葉片數(shù)均隨土壤Cd含量增加而降低，根長隨土壤Cd含量增加而先增加后減少。Cd脅迫對刺兒菜生物量呈現(xiàn)出“低促高抑”的作用，在4 mg/kg土壤中生長的刺兒菜生物量比對照組（0 mg/kg）高52.68%。刺兒菜具有優(yōu)良的Cd積累和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，其富集系數(shù)大于5，轉(zhuǎn)移系數(shù)大于4。Cd脅迫對刺兒菜根際細(xì)菌群落組成有明顯影響，不同Cd含量土壤中刺兒菜根際菌優(yōu)勢菌門的相對豐度存在明顯差異。［結(jié)論］刺兒菜能夠在含Cd土壤（低于16 mg/kg）中生長，且富集能力強(qiáng)，是一種潛在的Cd污染植物修復(fù)資源，其根際細(xì)菌群落組成也會對Cd脅迫作出響應(yīng)。

關(guān)鍵詞 刺兒菜；鎘；富集特征；植物修復(fù)；細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

中圖分類號 X 171.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）23-0065-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.23.015

Cd Accumulation Characteristics of Cirsium arvense var. Integrifolium and Response of Rhizosphere Bacterial Communities to Cd Stress

LI Ming-fei1， LIU Jia-li1， CHEN Jian2 et al

（1.College of Life Science and Bioengineering， Shenyang University， Shenyang， Liaoning 110044;2.Party Committee United Front Work Department of Shenyang University， Shenyang， Liaoning 110044）

Abstract ［Objective］ To investigate the growth and accumulation characteristics of C. arvense under heavy metal Cd stress and the impact on the rhizosphere bacterial community. ［Method］ Through greenhouse potting experiments， we compared the differences in growth and Cd accumulation characteristics of C. arvense in soils with different Cd contents （0， 4 and 16 mg/kg）. We utilized high-throughput sequencing of 16S rDNA genes to determine the changing rules of the rhizosphere bacterial community structure of C. arvense under different soil Cd gradients. ［Result］ The responses of C. arvense to Cd stress in the aerial part and root part were significantly different： plant height， basal diameter and the number of leaves all decreased with increasing soil Cd gradients， but root length increased first and then decreased with increasing soil Cd gradients. Cd stress showed a “l(fā)ow-promoting and high-suppressing” effect on the biomass of C. arvense.The biomass of C. arvense grown in 4 mg/kg soil was 52.68% higher than that of the control group（0 mg/kg）. C. arvense had excellent Cd accumulation and transport capacity， with a bioaccumulation factor greater than five and a translocation factor greater than four. Cd stress had an effect on the rhizosphere bacterial community composition， and there is a significant difference in the relative abundance of dominant phyla in soil with different Cd gradients.［Conclusion］ C. arvense can grow in Cd-containing soil （less than 16 mg/kg） and has an excellent accumulation ability， making it a potential Cd contaminated phytoremediation resource， and its rhizosphere bacterial community composition also responds to Cd stress.

Key words C. arvense;Cd;Enrichment characteristics;Phytoremediation;Bacterial community structure

基金項(xiàng)目 2023年度沈陽市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（23-407-3-16）。

作者簡介 李明菲（1998—），女，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，研究方向：植物修復(fù)。*通信作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事生態(tài)修復(fù)研究。

收稿日期 2024-01-22；修回日期 2024-03-18

隨著工農(nóng)業(yè)及城市化的快速發(fā)展，重金屬通過一系列生產(chǎn)活動進(jìn)入土壤，使土壤重金屬鎘（Cd）污染程度加劇［1］。重金屬離子在土壤中滯留期長，致使土壤環(huán)境質(zhì)量持續(xù)下降，不僅對植物產(chǎn)生毒害，更能夠通過食物鏈進(jìn)入人體，危害食品安全和人體健康［2］。因此，有必要對重金屬Cd污染的土壤進(jìn)行治理，降低其對生態(tài)環(huán)境的破壞及人類福祉的威脅。

區(qū)別于傳統(tǒng)的物理、化學(xué)土壤重金屬污染治理方法，植物修復(fù)技術(shù)具有成本低廉、對環(huán)境擾動小、可治理范圍廣等優(yōu)勢，適用于大面積、中低濃度污染的原位修復(fù)，是修復(fù)重金屬污染土壤的一項(xiàng)重要技術(shù)。但植物修復(fù)技術(shù)本身存在一些局限性，受被污染的土壤結(jié)構(gòu)不良等因素影響，富集植物生長緩慢、生物量小，迫使修復(fù)時間較長、效率低下。為了在植物修復(fù)過程中最大限度發(fā)揮植物提取的效率，有必要發(fā)掘新的、生物量大的、適應(yīng)不同生境條件且具有較高積累金屬能力的植物，豐富超累積植物資源，并明確其富集特征和響應(yīng)機(jī)理。刺兒菜是在全國各地農(nóng)田中廣泛生長的一種雜草，生長迅速且生物量較大，并具有較強(qiáng)的抗逆性。一些研究顯示，刺兒菜在Cd污染的廢棄礦山生長，具備一定的Cd累積能力［3-4］，是一種具有潛力的重金屬Cd富集植物。因此，有必要對其Cd耐受和富集能力開展深入研究。

在各種生物富集機(jī)制中，獨(dú)特的根際環(huán)境是影響富集植物提取Cd的重要條件，包括降低土壤pH、提高金屬生物有效性或降低其毒性、增加根際微生物活性等［5］。根際環(huán)境會影響植物在脅迫環(huán)境中的生長與Cd提取效率［6］，影響物質(zhì)轉(zhuǎn)化、有機(jī)質(zhì)分解、能量流動和信息傳遞［7］。土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)對環(huán)境變化的反應(yīng)以及對植物生長具有重要意義，但土壤細(xì)菌可能受到生物或非生物因素?cái)_動的影響，從而引起其群落組成和功能的變化［8］。根際微生物在Cd脅迫下的變化方式與程度在不同的植物與土壤互作中存在很大差異。因此，需要系統(tǒng)地認(rèn)識根際細(xì)菌在Cd脅迫下的變化情況。

該研究采用外源Cd添加盆栽試驗(yàn)，探究不同Cd脅迫強(qiáng)度下刺兒菜生長、Cd累積特征及根際細(xì)菌群落的變化規(guī)律，為利用刺兒菜開展植物修復(fù)研究，降低土壤Cd污染、改善環(huán)境提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與準(zhǔn)備

2023年3—7月在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。供試種子采購自山東省濰坊市。試驗(yàn)所用土壤采自室外0～20 cm的表層土壤。土壤樣品通過4 mm篩網(wǎng)，去除石塊及植物殘體，混勻備用。外源投加重金屬Cd為CdCl2·2.5H2O（分析純）。設(shè)置Cd濃度梯度為0 mg/kg（Cd0）、4 mg/kg（Cd4）、16 mg/kg（Cd16）。將制備好的土壤在溫室中平衡30 d，其間每7 d翻土混合以保證土壤充分混勻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將不同Cd含量的土壤裝入直徑20 cm、高30 cm的塑料盆中，每盆裝土6 kg，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。試驗(yàn)前挑選大小一致、籽粒飽滿的刺兒菜種子用2%的H2O2消毒20 min，而后用去離子水洗凈，并常溫浸泡過夜。次日直接將種子播撒于塑料盆中，每盆5粒，種子出土后，每盆留3株生長狀態(tài)一致的幼苗。定期澆自來水，保持土壤含水量在田間持水量的60%～70%，每10 d調(diào)整花盆位置，期間注意清除雜草、防治病蟲害。

1.3 數(shù)據(jù)采集

150 d后，將刺兒菜植株整株收獲，分為根、莖、葉3個部分。莖、葉用去離子水多次沖洗；根置于20 mmol/L的Na2-EDTA中超聲清洗15 min，再用去離子水沖洗3次。植物樣品用烘箱80 ℃烘干至恒重，稱量各部分質(zhì)量得到生物量。之后將植物各部分樣品研磨、粉碎、消解（消解使用HNO3與HClO4，體積比為4∶1），用原子吸收分光光度法測定植物中Cd含量。

土壤樣品是附著在根系周圍的土壤，采集后立刻使用液氮進(jìn)行速凍，置于-80 ℃的冰箱中保存待用，用于分析土壤微生物群落組成。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 微生物群落組成分析。

土壤微生物DNA提取、16S rDNA擴(kuò)增、測序及生物信息學(xué)分析參照Li等［9］的試驗(yàn)方法。用515F（5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′）和907R（5′-CCGTCAATTCCTTTGAGTTT-3′）引物對V4＋V5可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，用于分析細(xì)菌多樣性。

采用SPSS 27.0單因素方差分析（ANOVA）等基本統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)比較不同土壤Cd脅迫強(qiáng)度下植物生長（株高、基徑、根長、葉片數(shù)和生物量）和根際細(xì)菌優(yōu)勢微生物類群組成的差異。

1.4.2 刺兒菜Cd富集特征計(jì)算。

富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）的計(jì)算公式如下：

地上部分Cd含量=（莖Cd含量×莖生物量+葉Cd含量×葉生物量）/（莖生物量+葉生物量）

BCF=地上部分Cd含量/土壤Cd含量

TF=地上部分Cd含量/根部Cd含量

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd脅迫強(qiáng)度對刺兒菜生長的影響

從圖1可以看出，刺兒菜地上部和地下部對不同Cd脅迫強(qiáng)度的響應(yīng)存在明顯差異。刺兒菜的株高、基徑和葉片數(shù)隨著外源Cd添加量的升高而降低，葉片數(shù)在不同Cd含量土壤中無顯著差異。根長的差異顯著，在有外源Cd添加的處理中刺兒菜根長顯著高于對照組（Cd0），Cd4與Cd16處理中其根長分別是對照組的2.11、1.48倍。

從圖2可以看出，刺兒菜生物量在不同Cd含量處理下存在明顯差異。在土壤Cd含量為0～16 mg/kg時，刺兒菜可以正常生長。在Cd4處理中，刺兒菜生物量達(dá)到最高（22.38 g），與Cd0相比增加了52.68%，Cd16與Cd0則無顯著差異。值得注意的是，Cd4中植株生物量的升高主要來源于根部生物量的增加，在Cd4中根部生物量顯著增加，與Cd0相比增加了81.84%，而地上部生物量在不同Cd含量土壤中無顯著差異。

2.2 刺兒菜對重金屬Cd的積累特征

從圖3可以看出，刺兒菜具有良好的Cd富集特征。植株地上部和根部Cd含量均隨土壤Cd含量的升高而升高，且地上部上升的程度顯著高于根部，在Cd16土壤中刺兒菜地上部Cd含量最高。在Cd4與Cd16處理中，刺兒菜地上部Cd含量均顯著高于根部，說明其能夠?qū)⒏课盏腃d轉(zhuǎn)移至地上部，具有良好的

轉(zhuǎn)移并富集Cd的能力。Cd4、Cd16處理中刺兒菜對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)平均值分別為5.14、4.88；Cd4、Cd16處理中刺兒菜對Cd的富集系數(shù)平均值分別為5.91、5.07。

2.3 不同Cd脅迫強(qiáng)度對刺兒菜根際細(xì)菌群落多樣性和組成的影響

從表1可以看出，不同Cd含量處理下，刺兒菜根際細(xì)菌群落Alpha多樣性指數(shù)存在明顯差異。隨著土壤Cd含量的升高，各處理中刺兒菜根際細(xì)菌群落的Chao1指數(shù)與Shannon指數(shù)均明顯下降，而Simpson指數(shù)沒有顯著差異。其中Cd4和Cd16處理的Chao1指數(shù)較Cd0相比分別下降了7.26%和8.18%，Shannon指數(shù)較Cd0相比分別下降了1.15%和0.96%。說明重金屬Cd的添加會造成刺兒菜根際細(xì)菌豐富度和多樣性的降低。

從根際土壤樣品中共鑒定出48個細(xì)菌門。共有9個平均相對豐度大于1%的細(xì)菌門，將這9個細(xì)菌門劃分出來稱為優(yōu)勢細(xì)菌門，總計(jì)占比超過了95%。從表2可以看出，相對豐度最高的細(xì)菌門是變形菌門（Proteobacteria），為34.04%～39.23%；其他優(yōu)勢類群與其相對豐度分別為酸桿菌門（Acidobacteria）16.34%～21.68%、放線菌門（Actinobacteria）4.26%～10.22%、綠彎菌門（Chloroflexi）8.25%～9.11%、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）5.69%～9.98%、擬桿菌門（Bacteroidetes）6.39%～8.89%、浮霉菌門（Planctomycetes）1.89%～3.18%、疣微菌門（Verrucomicrobia）2.54%～2.76%、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）1.26%～1.61%。在這9個優(yōu)勢細(xì)菌門中，含Cd土壤（Cd4、Cd16）中相對豐度與Cd0相比顯著上升的有放線菌門和芽單胞菌門；與Cd0相比，變形菌門、酸桿菌門、浮霉菌門的相對豐度在含Cd土壤中明顯下降；硝化螺旋菌門在Cd4土壤中與Cd0相比其相對豐度無顯著差異，土壤Cd含量進(jìn)一步升高后，在Cd16土壤中其相對豐度顯著下降；綠彎菌門、擬桿菌門、疣微菌門相對豐度在Cd0、Cd4、Cd16土壤中保持穩(wěn)定，無顯著差異。

3 討論與結(jié)論

Cd是一種最主要最普遍的污染物，在土壤中具有很強(qiáng)的持久性和遷移能力［10］。在中等強(qiáng)度的重金屬Cd脅迫下，刺兒菜生物量不僅沒有降低反而上升，說明其對Cd脅迫有良好的耐受能力，對Cd的毒害作出了積極響應(yīng)，符合重金屬富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，具備修復(fù)重金屬Cd污染土壤的潛力。當(dāng)土壤Cd含量進(jìn)一步升高，刺兒菜植株地上部及根部重金屬Cd含量均顯著升高，這說明在較高Cd含量的土壤中，刺兒菜依然可以通過根部吸收土壤中Cd并轉(zhuǎn)移至植物地上部分。與此同時重金屬的毒害作用對植物生長產(chǎn)生影響，刺兒菜生物量有所下降，這可能是由于其體內(nèi)積累Cd含量過多導(dǎo)致的活性氧濃度過高，根部吸收養(yǎng)分的能力下降，地上部分植物葉綠素含量減少，光合和呼吸作用受阻造成的［11］。

研究表明，根際微生物中某些關(guān)鍵細(xì)菌類群，包括變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）和綠彎菌門（Chloroflexi）等的富集，可以增強(qiáng)植物吸收根際養(yǎng)分的能力，從而幫助植物有效應(yīng)對Cd脅迫［12］。變形菌門的相對豐度最大且在含Cd土壤中有所升高，這說明其對重金屬Cd的耐受性較強(qiáng)，這可能是多種環(huán)境因子和微生物間彼此作用的結(jié)果［13］。盡管酸桿菌門對Cd脅迫的抵御能力較差，但其可以產(chǎn)生大量的胞外多糖，從而促進(jìn)植物生長［14］。放線菌門可以利用多種土壤肥力作為能源與其他菌群共存，共同抵御Cd脅迫［15］，從而提高自身的優(yōu)勢度。由此可見，在Cd脅迫下，根際微生物的群落結(jié)構(gòu)會根據(jù)所在環(huán)境的改變而作出相應(yīng)調(diào)整。可能是因?yàn)橹参锷L在脅迫環(huán)境中，受到重金屬侵害以及土壤理化性質(zhì)的影響，植物為了更好地在Cd脅迫環(huán)境下生存從而選擇性地組裝根際微生物群落，改變生存策略［16］。

綜上所述，當(dāng)Cd脅迫小于16 mg/kg時，刺兒菜能夠正常生長，并將土壤中的Cd轉(zhuǎn)移到地上部，而且在4 mg/kg土壤中具有較強(qiáng)的修復(fù)效率。同時Cd脅迫下根際細(xì)菌生長策略的調(diào)整，使得植物更好地適應(yīng)脅迫環(huán)境。因此，刺兒菜具備富集植物的基本條件，具有能夠成為植物修復(fù)資源的潛力。

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