王偉英,徐成龍,陳盈盈,朱 篤,2*

sp. Z2對稀土釔的固定及阻控水稻吸收效應(yīng)

王偉英1,徐成龍1,陳盈盈1,朱 篤1,2*

(1.江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點實驗室,江西 南昌 330022；2.江西科技師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江西 南昌 330013)

本文從贛南稀土礦區(qū)分離獲得一株耐釔(Y)的根際植物促生細(xì)菌Z2,初步鑒定為芽孢桿菌屬細(xì)菌,搖瓶發(fā)酵條件下能夠有效減少Y3+生物有效性,其作用機(jī)理可能是菌體吸附、pH值升高以及活性代謝產(chǎn)物與Y3+結(jié)合的共同作用.水稻砂培過程中添加Z2菌能夠顯著減少水稻根部Y的積累:0.08mmol/L處理條件下減少49%(<0.05),0.35mmol/L處理條件下減少43% (<0.01).植物螯合肽響應(yīng)水稻根部積累的稀土釔,金屬硫蛋白和谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶無明顯變化.研究結(jié)果表明Z2菌可作為潛在的菌種資源,在細(xì)菌修復(fù)稀土污染農(nóng)田和保障水稻安全生產(chǎn)中應(yīng)用.

稀土釔；根際植物促生菌；鈍化修復(fù)；水稻

我國稀土礦儲量約占世界的80%,江西贛南離子吸附型中重稀土礦儲量占全國的2/3,是稀土礦輸出大省[1].過去幾十年里,贛南離子型稀土礦的大規(guī)模開采導(dǎo)致礦區(qū)及周邊土壤大面積(>100km2)高濃度稀土(409～1035mg/kg)殘留[2-3].礦區(qū)廢水隨徑流進(jìn)一步污染周邊地表及地下水,使礦區(qū)周邊土壤貧瘠、酸化嚴(yán)重、稀土及重金屬含量超標(biāo);導(dǎo)致植物矮小,生物量過低,給礦區(qū)周邊生態(tài)修復(fù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成困難[4].研究表明高濃度稀土可抑制植物生長,稀土通過食物鏈的傳播進(jìn)入人體,對血液和呼吸系統(tǒng)造成損傷[5].贛南離子吸附型稀土礦的大規(guī)模開采導(dǎo)致礦區(qū)及周邊土壤和水系大面積高濃度稀土(釔為主)殘留,稀土元素影響植物生長且可被植物富集積累,進(jìn)一步威脅糧食安全.

土壤微生物作為土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要驅(qū)動者,參與土壤元素的生物地球化學(xué)循環(huán),改良土壤特性,影響植被生長發(fā)育,這尤其體現(xiàn)在根際微環(huán)境中的植物促生菌plant growth-promoting rhizobactera (PGPR)[6].促生菌通過合成IAA、ACC脫氨酶或增加土壤中營養(yǎng)元素的生物有效性(如N、P和K)來改善植物營養(yǎng)和增強(qiáng)其對脅迫環(huán)境的抗逆能力[7]. PGPR也可通過產(chǎn)生抗生素、分泌鐵載體和誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性等方式抑制或減輕病原微生物和蟲害對植物生長的不良影響,從而調(diào)節(jié)植物對生物脅迫環(huán)境的適應(yīng)[8].PGPR能夠通過降低土壤pH值,合成螯合劑來改變重金屬的生物有效性,從而提高植物對重金屬的提取效率[9-10],并通過改變植物根系分泌物、調(diào)節(jié)細(xì)胞壁合成與組裝相關(guān)蛋白[11]、重金屬轉(zhuǎn)運蛋白和重金屬螯合劑合成相關(guān)蛋白(如有機(jī)酸、鐵載體和生物表面活性劑等)的表達(dá)來鞏固重金屬的耐受性及其吸收和富集[12].另一方面,微生物本身或作用于根系,以吸附、沉淀、還原、堿化和絡(luò)合等方式降低土壤中重金屬的生物有效性[13],從而減少植物對土壤中重金屬的吸收或向植物地上部分的遷移[14].研究表明PGPR對植物富集重金屬的效果往往因PGPR菌種、植物種類和重金屬離子的種類及濃度的不同而截然不同(促進(jìn)或抑制).

雖然,現(xiàn)有的關(guān)于微生物協(xié)同植物修復(fù)稀土污染土壤的相關(guān)報道很少,但已有結(jié)果顯示其與重金屬研究結(jié)論十分相似,即PGPR對植物富集稀土的效果與微生物、植物和稀土金屬離子種類和濃度顯著相關(guān)[15-16].適應(yīng)了特定金屬的微生物和植物在重金屬修復(fù)中具備顯著優(yōu)勢[17].本文從贛南稀土礦區(qū)篩選獲得一株稀土釔耐受的PGPR,命名為Z2;進(jìn)一步通過研究該菌與Y3+的相互作用、促生特性及其對水稻富集稀土釔的影響,以探究該菌作為農(nóng)用PGPR的潛力,為細(xì)菌修復(fù)稀土污染農(nóng)田和保障水稻安全生產(chǎn)提供菌種資源和技術(shù)途徑.

1 材料與方法

1.1 菌種分離和鑒定及對Y耐受性分析

土壤樣品取自贛南稀土尾礦區(qū)(114°50′13.12″E, 24°50′20.47″N),采集了礦區(qū)周圍不同植物生長的根際土壤.利用含50mg/L Y3+的LB培養(yǎng)基篩選獲得耐釔細(xì)菌,從中挑選一株耐受性較好的細(xì)菌命名為Z2,利用細(xì)菌通用引物27F (5′-AGAGTTTGATCCTG- GCTCAG-3′)和1492R (5′-GGTTACCTTGTTACG- ACTT-3′)擴(kuò)增Z2的16S rRNA.由上海生工生物工程有限公司完成測序,將測序得到的序列在NCBI數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行BLAST比對,選取同源性序列利用MEGA 5.05軟件系統(tǒng)發(fā)育樹,從而確定菌株的分類地位.

用YCl3·6H2O(麥克林)溶于水配置10g/L Y3+母液,過濾除菌.在100mL 1/5濃度的LB培養(yǎng)基(酵母浸粉1g,胰蛋白胨 2g,NaCl 2g,去離子水1000mL)中分別加入10g/L Y3+母液0,0.025,0.05,0.25,0.5,1,2, 4mL,使培養(yǎng)基中Y3+終濃度為0,5,10,50,100,200, 400,800mg/L.配置好的平板分三個區(qū)域各點接5μL Z2種子液(LB培養(yǎng)液中培養(yǎng)12h),30°C倒置培養(yǎng)2d,觀察菌落生長情況.

1.2 Z2振蕩培養(yǎng)過程中對Y生物有效性的影響

稀土離子在酸性條件下可保持自由離子狀態(tài),一般地,當(dāng)pH大于5.0稀土離子已形成氫氧化物沉淀.根據(jù)文獻(xiàn)報道,液體搖瓶培養(yǎng)條件下通常采用1/5濃度的LB培養(yǎng)基研究細(xì)菌對重金屬的固定作用,故本文采用1/5濃度的LB培養(yǎng)基研究Z2生長過程中對Y3+生物有效性的影響.100mL 1/5濃度的LB培養(yǎng)基中添加0.125mL Y3+母液使其Y3+初始濃度為25mg/L,接種100μL Z2種子液,30°C,150r/min.設(shè)置5次生物學(xué)重復(fù).每天取樣測定OD600和培養(yǎng)基pH.樣品經(jīng)12000r/min離心2min,利用ICP-MS測定上清液中Y3+濃度.

1.3 Z2菌與釔相互作用表觀形貌

Z2菌在LB培養(yǎng)基中過夜培養(yǎng)后離心收集菌體,無菌去離子水清洗兩遍后,用0.85% NaCl溶液將Z2菌調(diào)整成OD600為1.0,然后添加適量Y3+母液,使其終濃度為5mmol/L.上述吸附體系置于試管渦旋振蕩器上室溫條件下吸附反應(yīng)2h.反應(yīng)結(jié)束后離心分離菌體,無菌去離子水洗兩遍,利用無水乙醇分散菌體至適宜濃度后滴至導(dǎo)電膠上,利用紅外燈照射干燥后在場發(fā)射掃描電鏡觀察Z2菌與Y相互作用表觀形貌.利用EDS分析試樣中元素組成及mapping可視化元素P和Y的分布.

1.4 Z2菌溶磷分析

無機(jī)磷固體培養(yǎng)基:葡萄糖10g,NaCl 0.3g, (NH4)SO40.5g,KCl 0.3g,MgSO4·7H2O 0.3g, FeSO4·7H2O 0.03g,MnSO4·4H2O 0.03g,Ca3(PO4)25g,瓊脂20g,蒸餾水1000mL;在無機(jī)磷固體平板上點接2μL Z2種子液,30°C倒置培養(yǎng)2d,觀察溶磷透明圈.另配置無機(jī)磷液體培養(yǎng)基,接種100μL Z2種子液,30°C,150rpm培養(yǎng)6d.每天取樣測定pH值,有效磷含量.利用鉬銻抗比色法測定有效磷含量.鉬銻抗比色法參照文獻(xiàn)[18]進(jìn)行,簡單概括為:利用濃硫酸、鉬酸銨和酒石酸銻鉀配置成鉬銻儲貯存液,加入抗壞血酸后得鉬銻鈧顯色劑.取離心后的培養(yǎng)液1mL于50mL容量瓶,加去離子水至3/5處,加2滴二硝基苯酚指示劑,用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液至微黃色,加5mL鉬銻鈧顯色劑定容.在波長700nm處測吸光度(OD值),KH2PO4用于有效磷標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算培養(yǎng)液中有效磷含量.

1.5 水稻砂培試驗

水稻種子催芽:取飽滿的水稻種子將其浸沒于去離子水中4h,然后置于濕潤的濾紙上25°C黑暗萌發(fā)2d即可露白.

取500mL潔凈燒杯,裝入300g滅菌石英砂(20～40目),倒入50mL1/2濃度的霍格蘭營養(yǎng)液(營養(yǎng)液組成如下(mg/L): KNO3607, Ca(NO3)2·4H2O 945, MgSO4·7H2O 493,NH4H2PO4115, H3BO32.86, MnCl2·4H2O 2.13, ZnSO4·7H2O 0.22,CuSO4·5H2O 0.08, H2MoO4·H2O 0.02, FeSO4·7H2O 5.57, Na2-EDTA 7.45)使液面剛好沒過石英砂,營養(yǎng)液中添加Y3+母液使其終濃度分別為0.08mmol/L(此為低濃度處理組)和0.35mmol/L(此為高濃度處理組),不含Y3+的營養(yǎng)液組作為對照.0,0.08,0.35mmol/L Y3+三組實驗又分別設(shè)置Z2接種與不接種組,即6組實驗,每組3次生物學(xué)重復(fù),共18杯石英砂,每杯置入5顆已露白的大小相近的水稻種子,其中Z2接種組方式為利用Z2菌懸液(107cfu/mL)浸種2h;播種后再在石英砂杯中倒入5mL菌懸液.水稻砂培置于人工氣候箱,光照25°C 16h,黑暗22°C 8h,濕度70%,每天澆水保持液面高出石英砂約2cm,每3d澆一次營養(yǎng)液(不含Y3+).種植30d收獲.

1.6 水稻干重、釔含量及植物螯合肽(PCS)、金屬硫蛋白(MT)和谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶(GST)指標(biāo)測定

培養(yǎng)結(jié)束后將水稻連根拔起,沖洗根部黏連的石英砂后將根部置于5mmol/L CaCl2溶液中15min,水洗兩遍用以去除表面結(jié)合的Y.將根和地上部分分離,55°C烘干至恒重后稱重.準(zhǔn)確稱取烘干后的葉片和根0.1g,加入濃HNO3:H2O2(30%)=4:1,100°C預(yù)消解20min,180°C,消解10min后過0.45μm膜.利用ICP-MS測定消解液中Y3+濃度,按照如下公式計算水稻根和地上部稀土釔含量.

式中:植物為經(jīng)ICP–MS測定出的稀釋后樣品中Y濃度,mg/L;為測試樣品的體積,mL;植物為測試樣品的質(zhì)量,g.

對于PCS、MT和GST指標(biāo)測定,培養(yǎng)好的水稻拔出后,根部清潔后立即取樣液氮速凍后置于-80°C保存待用.樣品取出用液氮研磨至粉末狀,稱取0.10g迅速加入預(yù)冷的0.1mol/L PBS(pH7.4)介質(zhì)制備成10% 組織勻漿,10000rpm離心15min.取上清液測定PCS、MT和GST含量.PCS、MT和GST含量測定采用酶聯(lián)免疫吸附試劑盒(上海晶抗),即雙抗體夾心法測定樣本中目標(biāo)蛋白水平.大致步驟如下:用純化的目標(biāo)抗體包被微孔板,制成固相抗體,往包被單抗的微孔中依次加入標(biāo)準(zhǔn)品和待測樣品,再與辣根過氧化物酶(HRP)標(biāo)記的目標(biāo)抗體結(jié)合,形成抗體-抗原-酶標(biāo)抗體復(fù)合物,經(jīng)過徹底洗滌后加底物四甲基聯(lián)苯胺(TMB)顯色.TMB在HRP酶的催化下轉(zhuǎn)化成藍(lán)色,并在酸的作用下轉(zhuǎn)化成最終的黃色.顏色的深淺和樣品中的目標(biāo)蛋白質(zhì)呈正相關(guān).用酶標(biāo)儀在450nm波長下測定吸光度,通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計算樣品中目標(biāo)蛋白的濃度.

1.7 數(shù)據(jù)處理

上述實驗均設(shè)置至少3次生物學(xué)重復(fù),數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析在SPSS 17.0軟件中進(jìn)行.用Origin 8.5、Adobe Illustrator CS6和Adobe Photoshop CS6軟件進(jìn)行繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 Z2菌16S rRNA基因序列分析

Z2菌株的16S rRNA基因核苷酸序列長度為 1515bp,序列信息已提交至NCBI數(shù)據(jù)庫(https: //www.ncbi.nlm.nih.gov/),可通過登錄號ON954726獲取.將所獲得的序列進(jìn)行同源性比對,發(fā)現(xiàn)其與strain NBRC 101232菌株高度相似,結(jié)合其形態(tài)特征、培養(yǎng)特征和16S rRNA基因序列系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果,初步鑒定其為芽孢桿菌屬細(xì)菌.

圖1 芽孢桿菌屬16S rRNA基因序列系統(tǒng)發(fā)育樹

2.2 Z2菌對Y的耐受

由圖2可見,Z2菌在含不同濃度Y3+的平板上菌落大小明顯不同,低濃度Y3+(5,10mg/L)平板的菌落直徑明顯大于不添加Y3+的對照組,當(dāng)Y3+濃度達(dá)到50mg/L時,菌落直徑明顯減小,當(dāng)1/5濃度的LB培養(yǎng)基中添加的Y3+濃度超過100mg/L時,菌落基本不能生長.這說明Y3+對Z2菌的生長表現(xiàn)為“低促高抑”現(xiàn)象.

圖2 Z2菌在含不同濃度Y3+的1/5 濃度的LB培養(yǎng)基上的生長情況(圖中數(shù)字表示Y3+添加濃度,單位為mg/L)

2.3 Z2菌降低溶液中Y3+濃度

圖3 Z2菌液體搖瓶條件下Y3+濃度和生物量及pH值變化

由圖3可知,Z2菌在液體搖瓶發(fā)酵條件下,能降低溶液中Y3+濃度.隨著培養(yǎng)時間的延長,溶液中Y3+濃度從24.78mg/L逐漸降低至第4d的2.83mg/L.菌體生長非常迅速,24h基本達(dá)到穩(wěn)定期,第4d時, OD600有所增加,可能是由于培養(yǎng)液中代謝產(chǎn)物的積累造成的干擾.培養(yǎng)基pH在培養(yǎng)過程中有所提高,由初始5.67至第4d達(dá)到7.06.菌體在第1d即達(dá)到穩(wěn)定期,但培養(yǎng)基中Y3+濃度變化不大,pH值上升不明顯,說明此時菌體表面吸附對Y3+濃度的降低影響不大;培養(yǎng)至第2d,Y3+濃度急劇下降至14.20mg/L,減少了43%,至第4d 培養(yǎng)基中Y3+減少了89%;在此過程中OD600與pH值變化并不顯著,可見Z2菌在發(fā)酵過程中減少溶液中Y3+濃度的主要原因可能不是菌體吸附和培養(yǎng)基pH值的升高,可能是菌體生長后期產(chǎn)生了一些活性代謝產(chǎn)物與Y3+形成了穩(wěn)定化合物導(dǎo)致溶液中自由Y3+含量的降低.

2.4 Z2菌對Y3+的表面吸附

Z2菌體吸附劑在初始濃度為5mmol/L Y3+體系中吸附2h后能將Y3+吸附至菌體表面.圖4a 可見短桿狀細(xì)菌菌體,通過元素mapping可見,磷元素圖譜與釔元素圖譜十分相似(圖4b、4c),這說明菌體表面吸附了大量Y元素.能譜結(jié)果顯示該區(qū)域含有Y元素(圖4d).

2.5 Z2菌溶磷能力

通過溶磷固體平板測試法發(fā)現(xiàn)生長至第2d就能產(chǎn)生明顯的透明圈(圖5a),通過溶磷液體搖瓶后,利用鉬銻鈧比色法測定無機(jī)磷液體培養(yǎng)液中有效磷含量,結(jié)果表明如圖5b所示.溶液中有效磷濃度先升高后降低,溶液有效磷濃度在培養(yǎng)第3d達(dá)到最大值,為345.42mg/L,是對照組平均值(4.42mg/L)的101倍,然后迅速下降接近初始值.溶液pH值與有效磷濃度變化趨勢相反,在第2d時pH值達(dá)到最低,為5.07,之后回升并穩(wěn)定在8.2左右(圖5c).對照組pH值保持不變,維持在8.41左右.利用SPSS分析有效磷濃度與pH值相關(guān)性,結(jié)果顯示二者顯著負(fù)相關(guān)(Pearson Correlation = -0.761,<0.05).

圖4 SEM-EDS觀察Z2菌體對Y的表面吸附

a,SEM觀察菌體形貌;b,c分別為元素P和Y的mapping圖譜;d,EDS

圖5 Z2菌株溶磷能力的測定

a,Z2在無機(jī)磷固體培養(yǎng)基上產(chǎn)生的溶磷圈;Z2在無機(jī)磷液體培養(yǎng)基中發(fā)酵過程中有效磷含量b及發(fā)酵液pH值變化c

2.6 Z2菌對水稻生長的促進(jìn)作用及對水稻積累Y的影響

利用石英砂和霍格蘭營養(yǎng)液種植水稻30d后,發(fā)現(xiàn)在不同濃度Y3+處理下,水稻根的干重?zé)o顯著差異,地上部分干重在低濃度Y3+處理條件下有所增加,高濃度Y3+處理條件下有所下降,但均未達(dá)到顯著差異.且接種Z2菌株對水稻根和地上部分干重?zé)o顯著影響(圖6).

雖然Z2對水稻干重的促進(jìn)效果不顯著,但在對水稻根和地上部分Y含量檢測時發(fā)現(xiàn),不論在低濃度還是高濃度Y3+處理條件下,接種Z2菌均能夠減少水稻根部Y的積累(圖7). 0.35mmol/L處理條件下水稻根部Y積累量達(dá)到1357mg/kg,地上部分積累量僅為41mg/kg,可見在砂培30d過程中Y在水稻根到地上部分的轉(zhuǎn)移能力較弱.

且接種Z2能夠顯著減少水稻根部Y的積累,0.08mmol/L處理條件下減少49%(<0.05), 0.35mmol/L處理條件下減少水稻根部Y積累量的43% (<0.01).

圖6 不同Y3+處理下接種與不接Z2菌對水稻干重的影響

圖7 不同Y3+處理條件下接種Z2對水稻植株釔積累量的影響

*指<0.05,**指<0.01

2.7 Z2菌對不同濃度Y3+處理條件下水稻根部PCS、MT及GST含量的影響

由圖8可知,在水稻根部,GST含量最為豐富(> 600ng/L),其次是PCS,含量>50ng/L;MT的含量最低,小于10ng/L.隨著Y3+處理濃度的增加,MT和GST含量均未表現(xiàn)出顯著差異.對于PCS,在0.08mmol/L Y3+處理條件其含量較不添加Y3+處理時無顯著差異,但當(dāng)Y3+處理濃度達(dá)到0.35mmol/L 時,PCS含量顯著上升達(dá)到120ng/L,但接種Z2又使水稻根部PCS含量下降,這與水稻根部Y含量的結(jié)果高度吻合,說明水稻根部對Y響應(yīng)的耐受蛋白是PCS,MT和GST在水稻根部對Y響應(yīng)過程中可能未有明顯的作用.

圖8 不同濃度Y3+處理條件下接種Z2對水稻根部PCS、MT及GST含量變化的影響

3 討論

PGPR在重金屬污染修復(fù)中的基礎(chǔ)研究已屢見不鮮[17-19].然而PGPR在稀土金屬污染修復(fù)過程中的作用研究還不多,本研究以稀土釔為對象,分離獲得耐釔的PGPR,初步探究了其植物促生特性,研究了其對Y的固定作用,進(jìn)一步探究其對水稻富集稀土Y的影響,為稀土污染修復(fù)提供菌種資源.

3.1 Z2菌的植物促生特性

PGPR通過促進(jìn)植物生長、提高抗逆性從而影響植物對重金屬的積累:多種PGPR能夠通過改良土壤、溶磷、分泌IAA、鐵載體及ACC脫氨酶等促進(jìn)植物生長和產(chǎn)量增加[20-21]; Z2作為植物促生菌,其能夠有效溶解無機(jī)磷使溶液中有效磷含量高達(dá)345.42mg/L,其溶磷與pH呈顯著負(fù)相關(guān).對于Z2產(chǎn)植物激素IAA及鐵載體能力,初步的Salkowski顯色與CAS平板檢測顯示其有一定的產(chǎn)IAA和鐵載體能力.研究結(jié)果顯示Z2菌對砂培水稻的干重沒有顯著的促進(jìn)作用,這可能是由于營養(yǎng)液中有效磷濃度足夠Z2菌和水稻生長過程中對磷的需求,因此Z2的溶磷特性沒有體現(xiàn).

3.2 Z2菌對Y的固定作用機(jī)制

接種PGPR能夠促進(jìn)植物對重金屬污染土壤的修復(fù),其作用機(jī)制首先是PGPR的促生特性對植物中重金屬濃度的稀釋作用;其次,PGPB可以通過分泌螯合劑、酸化、堿化和氧化還原反應(yīng)等來影響重金屬的生物利用度:1)活化機(jī)制:PGPB通過產(chǎn)有機(jī)酸來活化土壤中Cd,接種布丘氏菌屬SaSR13增強(qiáng)了東南景天根系分泌物(尤其是蘋果酸和草酸)的含量,從而顯著提高了Cd的生物利用度和植物對其的吸收能力[22];此外PGPB分泌的生物表面活性劑[23]、鐵載體[24]增加重金屬在土壤環(huán)境中的溶解度來改變重金屬遷移率和生物利用度.2)穩(wěn)定機(jī)制:許多重金屬和細(xì)胞表面的陰離子官能團(tuán)結(jié)合,可以有效固定土壤中的重金屬[25],微生物還可通過吸附、沉淀、堿化和絡(luò)合過程降低土壤中重金屬的生物利用度[13];微生物因其比表面積大,繁殖速度快,并且對廣泛的環(huán)境條件具有一定的適應(yīng)能力,因此被廣泛用作生物吸附劑去除環(huán)境中的重金屬[26-27].本文中Z2菌在搖瓶培養(yǎng)條件下使溶液中有效Y濃度從24.78mg/L降低至2.83mg/L.菌體生物量在第1d即達(dá)到穩(wěn)定期,但溶液中有效Y濃度急劇減少出現(xiàn)在第2d,整個培養(yǎng)過程中pH值雖有上升,但幅度不大(圖3),雖然菌體表面確實能夠吸附大量Y(圖4),但可以推斷Z2菌對Y的固定作用可能不僅是菌體表面的功能基團(tuán)對Y的吸附、pH值升高,活性代謝產(chǎn)物與Y結(jié)合可能也是減少Y生物有效性的重要因素.

3.3 Z2菌阻控水稻根Y吸收效應(yīng)

前期已進(jìn)行贛南足洞稀土礦區(qū)土壤樣品采集與分析,研究結(jié)果顯示當(dāng)前尾礦及周邊地區(qū)土壤中仍有很高的稀土殘留,取樣點土壤稀土總量平均值為750 (±180) mg/kg,其中Y含量最高,達(dá)到370 (±79) mg/kg,礦區(qū)水系中Y3+濃度約為30mg/L(即0.35mmol/L).稀土金屬對生物的影響同微量元素類似,表現(xiàn)為“低促高抑”[28-29].Hu等[30]發(fā)現(xiàn)0.08mmol/L鑭離子可促進(jìn)水稻葉綠素的合成,故本研究利用0.08mmol/L Y3+作為低濃度處理組, 0.35mmol/L作為高濃度處理組用以研究當(dāng)?shù)厮w中實際濃度的Y3+對水稻的影響. Z2菌在水稻砂培條件下雖然沒有促進(jìn)植株的生長,但能夠顯著減少水稻根對稀土Y的積累:0.08mmol/L處理條件下減少49%(<0.5),0.35mmol/L處理條件下減少43% (< 0.01).表明Z2可作為潛在的菌種資源用以保證水稻糧食的安全生產(chǎn).

3.4 水稻中重金屬耐受相關(guān)蛋白質(zhì)對Y的響應(yīng)

PCS、MT和GST是常見的與重金屬耐受密切相關(guān)的三種蛋白質(zhì)分子[31-32],對于植物富集稀土金屬后耐受蛋白的響應(yīng)情況是否與重金屬類似,因此,本文探究了水稻根部三種耐受蛋白的對Y的響應(yīng)情況.結(jié)果顯示PCS是水稻對Y響應(yīng)的耐受蛋白,MT和GST無明顯變化.研究結(jié)果可為進(jìn)一步深入探究水稻耐受稀土的分子機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo).

4 結(jié)論

4.1 本文從贛南稀土礦區(qū)分離獲得一株耐釔的植物根際細(xì)菌Z2,經(jīng)過形態(tài)和16S rRNA擴(kuò)增子測序鑒定為芽孢桿菌屬細(xì)菌;Z2菌液體搖瓶條件下能夠顯著減少Y的生物有效性,培養(yǎng)至第2d有效Y濃度下降50%,第4d有效Y濃度減少89%;其作用機(jī)理可能是菌體吸附、pH升高以及活性代謝產(chǎn)物與Y結(jié)合的共同作用.Z2能夠有效溶解無機(jī)磷使溶液中有效磷含量高達(dá)345.42mg/L,是良好的PGPR菌種.

4.2 水稻砂培過程中添加Z2菌能夠顯著減少水稻根部Y的積累,0.08mmol/L處理條件下減少49% (<0.05),0.35mmol/L處理條件下減少水稻根部Y積累量的43% (<0.01).

4.3 植物螯合肽響應(yīng)水稻根部積累的稀土釔,金屬硫蛋白和谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶無明顯變化.研究結(jié)果表明Z2菌可作為潛在的菌種資源,在細(xì)菌修復(fù)稀土污染農(nóng)田和保障水稻安全生產(chǎn)中應(yīng)用.

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sp. Z2 immobilized rare earth yttrium and reduced the absorption of Y in rice.

WANG Wei-ying1, XU Cheng-long1, CHEN Ying-ying1, ZHU Du1,2*

(1.Key Laboratory of Protection and Utilization of Subtropical Plant Resources of Jiangxi Province, College of Life Sciences, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China；2.Key Laboratory of Bioprocess Engineering of Jiangxi Province, College of Life Science and Technology Normal University, Nanchang 330013, China)., 2023,43(2)：927～934

A rhizosphere growth-promoting bacterium Z2 resistant to yttrium (Y) was isolated from the rare earth mining area in southern Jiangxi Province. It was identified assp., which could effectively reduce the bioavailability of Y3+under shake-flask fermentation. The mechanism may be the combined effect of bacterial adsorption, pH increasing and active metabolite which can bind with Y3+. In pot experiment, Z2 could significantly reduce the accumulation of Y in rice root by 49% (<0.05) and 43% (<0.01) under 0.08 and 0.35mmol/L Y3+treatment conditions, respectively. Phytochelatin was responsive to the increase of yttrium content in rice roots, metallothionein and glutathione s-transferase did not change significantly. The results indicated that Z2 could be used as a potential strain resource in the remediation of rare-earth contaminated farmland and in the safe production of rice.

rare earth yttrium；plant growth-promoting rhizobactera；immobilization；rice

X171,X172

A

1000-6923(2023)02-0927-08

王偉英(1989-),女,江西九江人,實驗師,博士,主要從事環(huán)境微生物相關(guān)研究.發(fā)表論文6篇.

2022-07-13

江西省自然科學(xué)基金資助項目(20192BAB214002);江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點實驗室開放基金項目(YRD201907)

* 責(zé)任作者, 教授, zhudu12@163.com