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成果简介：

重金属（HM）胁迫下，根际促生菌对植物生长和胁迫防御起着重要作用。微生物和植物信号的直接整合是植物调节生长和HM胁迫防御的关键，但其作用机制仍然不清楚。本研究揭示了根际促生菌通过调控植物组织中生长调节物质协调植物生长和HM胁迫防御的新机制。巴西固氮螺菌（A. brasilense）和植物血红素协同降低了植物地上部镉（Cd）含量、促进了植物生长。脱落酸与血红素相互作用通过增强根细胞壁中Cd的积累来提高植物Cd胁迫耐受性。A. brasilense和血红素的相互作用诱导了Cd胁迫下植物的生长-防御转变，一种由牺牲植物生长增强Cd胁迫防御，转变为同时促进植物生长和胁迫防御。本研究加深了我们对植物-微生物互作的理解，并为改善植物在HM胁迫下的生长和胁迫防御提供了新的策略，以确保未来粮食生产和安全。

背景介绍：

农田土壤HM污染显著影响植物的生长和产量。为了在HM污染环境中生存，受到胁迫的植物必须将能量和资源从生长转向HM胁迫响应。因此，在HM胁迫下同时确保植物的生长和防御是困难的。

根际促生菌（PGPR）在根际与植物建立有益联合，因其在缓解HM胁迫和促进作物产量方面的作用而受到广泛关注。PGPR通过调节植物激素平衡、激活植物胁迫防御反应和增强养分吸收来提高植物性能。巴西固氮螺菌（A. brasilense）是一种重要的根际促生菌，能有效增强植物非生物胁迫抗性并促进植物生长。例如，A. brasilense产生的脱落酸（ABA）不仅有助于胁迫防御相关基因的表达，增强植物对HM胁迫的耐受性，而且可以通过上调编码细胞壁合成酶的基因表达促进细胞壁合成，抑制HM的转运，减轻其对植物的毒性。然而，较高的ABA含量会抑制植物生长，削弱PGPR对植物的促生作用。

植物生长调节物质（PGRS）在调控植物生长和HM吸收中起到重要作用。血红素作为一种强效PGRS，在HM胁迫下促进植物生长起到重要作用。其通过调节内源激素代谢（例如，内源激素脱落酸ABA、糖代谢）和HM离子的亚细胞分布来减少HM毒性。此外，植物通过直接整合微生物和植物信号可能是调节其克服环境胁迫能力的关键。因此，PGPR与PGRS相互作用可能作为一种新策略，有效增强HM胁迫防御并同时促进植物生长。然而，这种协调过程的效果及其机制仍然不清楚。

本研究探讨了A. brasilense和植物血红素在低/高Cd浓度（LC/HC）胁迫下对上海青（Brassica chinensis L.）生长和胁迫防御的联合作用机制。我们假设，A. brasilense和植物血红素协同作用显著改善植物生长和Cd胁迫防御，脱落酸和血红素共同介导的防御机制增强了细胞壁Cd积累和细胞Cd耐受性。本研究为利用微生物优化植物应激下的内源代谢过程、改善植物生长和防御提供了见解，深化了我们对非生物胁迫下植物-微生物互作的理解。

研究结果：

1、A. brasilense和血红素对植物生长与Cd积累的影响:

为了评估A. brasilense和血红素对植物生长和Cd积累的影响，测定了植物生理指标和Cd含量及其亚细胞分。在LC和HC条件下，接种A. brasilense且添加血红素处理（PAH）使得植物生物量相比于对照组分别增加了10.7%和25.0%（表1）；PAH处理组叶绿素含量比对照组高出6.73–11.6%。接种A. brasilense和添加血红素显著改变了植物组织Cd含量。HC条件下，不同处理组植物地上部Cd含量相比于对照组显著降低（1.25–1.41倍）（P < 0.05，图1 a）；同样，LC条件下，Cd含量显著降低1.40–1.62倍。此外，单一处理组（ST；PA、PH）和联合应用处理组（Co-T；PAH）与对照组相比在HC条件下显著降低了地上部（22.0–29.4%）和根（15.8–18.6%）Cd含量（图1 c）。在LC条件下，ST和Co-T组显著增加了根Cd含量13.9–25.2%。

在HC条件下，接种A. brasilense和添加血红素处理的植物细胞壁组分（FCW）Cd含量比例相比于对照显著增加，地上部（47.8–52.0%）和根（42.7–48.1%）。PAH组FCW Cd含量比例为地上部8.72%和根12.6%（图1 b）。在LC条件下，不同处理FCW 中Cd比例为地上部45.2–49.9%和根39.5–44.4%，而对照组39.8%和35.1%。植物组织中可溶性组分（FS）Cd含量表现出与FCW相反的趋势；细胞器组分（FO）和细胞膜组分（FCM）Cd含量比例没有显著变化。此外，HC条件下，Co-T组相比于对照组显著增加了根细胞壁Cd含量22.5%（图1 d）。Co-T组细胞壁Cd含量的增加效果比ST组更明显。此外，HC条件下，AT组根细胞壁Cd含量相比于对照组显著增加13.9%，而LC条件下，细胞壁Cd含量的增加不显著。ST、Co-T和AT组细胞壁Cd含量效应值HC高于LC。

2、植物组织镉富集、转运及其驱动因素：

在HC条件下，接种A. brasilense和添加血红素使得植物Cd的地上部生物富集因子（SCF）、根（RCF）和转运系数（TF）分别比对照组低19.1–27.9%、13.6–16.9%和6.3–13.1%（P < 0.01；图2 a-c）。PAH处理组的SCF和TF在HC条件下显著高于LC（P < 0.05）。根FCW Cd含量与RCF显著负相关，与根耐受指数（RTI）显著正相关（图2 a,b）。在HC条件下，PAH组的地上部耐受指数（STI）和RTI分别比对照组高1.25–1.33倍（图2 d）。此外，在LC和HC条件下，接种A. brasilense和添加血红素导致内源性ABA和血红素含量增加（图S1）。在HC条件下，PAH处理组植物组织ABA和血红素含量相比于对照组分别增加了25.6–31.7%和18.9–62.1%；ABA和血红素含量与细胞壁部分的Cd含量显著正相关（P < 0.01）（图3 c-d）。A. brasilense和血红素协同增强了细胞壁Cd固定能力，有效地维持了HC-Cd胁迫下的细胞稳态。并且，血红素提高了抗氧化酶活性，缓解了Cd胁迫引起的ABA过度积累对细胞活性的抑制（表S4）。此外，在LC和HC条件下，PAH处理组根细胞壁多糖（果胶、纤维素和半纤维素）含量显著高于对照组；ABA和血红素促进了根细胞壁多糖的积累（表S3)。纤维素和半纤维素含量与根细胞壁Cd含量显著正相关（P < 0.01；图2 e,f）。表明ABA和血红素通过促进这些多糖的合成来促进Cd在细胞壁的积累。

图2  植物Cd富集、转运和耐受系数（a-d）；不同胁迫水平根细胞壁Cd含量与细胞壁多糖（果胶、半纤维素和纤维素）含量的关系（e-f）

图3  植物代谢（ABA/血红素）与细胞壁Cd含量和氧化/抗氧化酶活性的关系

图4  植物Cd胁迫防御与生长的驱动因素（HC）

图5  Cd胁迫防御因子对植物生长的影响（a,c）；PGPR-PGRS平衡植物生长和Cd胁迫防御过程中与植物代谢相关的工作模型（b）。