基迪奥客户合作文章:内生菌辅助的植物修复重金属污染

2018/09/14
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发表期刊:Journal of Hazardous Materials        影响因子:6.434            合作单位:昆明理工大学
关键词:植物内生菌 16S 微生物辅助植物修复

研究背景
在重金属污染治理方法中,植物修复技术因其可持续性、成本有效性和环境友好性被认为最有前景。然而,植物修复技术的应用频繁受限于重金属对植物生长的毒害、延缓、和减产效应。

内生菌寄生于植物体内但不会引起疾病,有研究表明还可促进植物生长、增强植物修复效率。因此,开发微生物辅助的植物修复技术有重要意义。


研究思路


图1 研究思路

实验方法
1、植物内生菌群落结构差异分析
采集某Pb-ZN污染区2种有Pb-ZN富集能力的植物(T1,X3)和1种无该富集能力的植物(W5),各15株,对植株根和芽分别混合进行16S V3-V4区测序分析。

2、内生菌与植物生长能力相关性分析
1)分离培养获得植物内生菌菌落;
2)将菌落接种给种子,评估植物生长情况;
3)植物盆栽实验进一步分析有较强促进能力的内生菌与植物生长的关系。


研究结果
1、植物和土壤属性差异分析
1)土壤样品分析表明,采样区域均受到严重的Pb,Zn,Cd污染,且T1,X3采集区重金属总浓度显著高于W5采集区。T1采集区有效态重金属浓度显著高于X3和W5采集区。但是W5区有机质、总氮、总磷、有效态磷、有效态K和可水解态氮和浓度显著高于T1和X3区。

2)植物样品分析表明,三种植物均受到严重的Pb,Zn,Cd污染。总的来说,T1,X3植株重金属浓度显著高于W5,其中T1芽中的Pb、X3芽中的Zn,Cd浓度显著高于其他组织。

2、群落结构差异分析
16S分析获得221,075高质量unique tags,平均每个样品36846 tags,以97%相似度聚类分析获得10801个组间差异的OTUs,注释到18个门,215个属。

有/无Pb-ZN富集能力的两类植物中,假单胞菌属在前者的根和芽中占总OTU的77 - 82%的高比例,而在后者的根和芽中仅占20 - 26%(图2A)。

α-多样性分析表明,前者根和芽的内生菌多样性(Chao1 和Shannon指数)显著低于后者。聚类分析表明(图2B),X3根和芽与T1根的群落结构相近,有/无富集能力的两类植物,群落结构不同。

结果暗示,土壤的性质,尤其是重金属浓度,在决定内生菌群落结构方面有重要作用;假单胞菌属可能有利于植物在重金属胁迫下的生长。


图2 植株根部和芽的内生菌种群结构(A)与聚类分析(B)T1和X3为富集植株,W5为非富集植株,G为根,S为芽。

3、内生菌的分离培养与评估
经过16S差异分析,初步了解了内生菌的群落结构特征,发现了假单胞菌属在富集植物中的特异性高丰度,但内生菌与植物生长之间的关系并不清楚。因此,研究通过分离培养进行了内生菌接种实验。

首先从获得的212个内生菌菌株中,挑选了20个菌株接种植物种子,通过生长状态检测,最终筛选出T1植物中高促进能力的菌株BXGe71,经16S鉴定属于微小杆菌属。

进一步的盆栽实验发现,BXGe71可显著增强植物在多重重金属胁迫下的生长能力,植株根和芽的干重显著增加(图3),暗示植株可富集更多的重金属。


图3 内生菌感染(E+)与无内生菌(E-)植物差异分析(*,P < 0.05;**,P < 0.01)  

小    结
研究首先采用了不依赖传统分离培养的方法,基于16S DNA测序分析了Pb-Zn污染区,有/无Pb-Zn富集能力植物内生菌的群落结构差异,鉴定出了在有富集能力的植物中特异性高丰度的假单胞菌属。

然后采用了分离培养方法,进行了内生菌接种植物种子的实验,鉴定出具有高促进植物生长能力的微小杆菌属。

由于16S 技术检测精度和分离培养技术检测范围有限,研究结合高通量测序技术与传统分离培养技术,取长补短,鉴定出了假单胞菌属和微小杆菌属的重要价值,研究成果推进了微生物辅助的植物修复技术的运用,值得学习借鉴。

参考文献
Sun W, Xiong Z, Chu L, et al. Bacterial communitiesof three plant species from Pb-Zn contaminated sites and plant-growthpromotional benefits of endophytic Microbacterium sp.(strain BXGe71)[J].Journal of hazardous materials, 2018.