重金属污染地刺槐内生菌群落特征及其影响因子研究

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刺槐(Robinia pseudoacacia)属于豆科(Leguminosae)刺槐属(Robinia)落叶乔木,是常见的生态脆弱区土壤改良造林树种。近年来,刺槐根际和根瘤微生物在促进重金属污染土壤的植物修复方面已获得广泛关注,但关于刺槐内生菌群落结构及其对植物修复的影响和作用机制的研究还不够深入。为探究内生菌与宿主植物在重金属污染环境下的相互影响、适应以及内生菌强化植物重金属修复的机制,本研究以尾矿库复合重金属污染土壤修复植物刺槐及其内生菌为研究对象,结合土壤、植物理化特性分析和微生物高通量测序与生物信息学分析,揭示不同重金属污染程度下刺槐对重金属的富集和转运特点,内生菌群落的结构、组成与多样性,探讨内生菌与植物及环境因子的相关性,为功能菌群的筛选和建立高效的刺槐—内生菌重金属修复体系以及植被的生态系统重建奠定基础。主要研究结果如下:1)尾矿库区土壤中含有高含量的重金属,种植于该区的刺槐对重金属镉、铅、铜、锌均表现出较强的富集与转运能力,其中镉、铅主要富集在植株根部,而铜、锌在根茎叶中的累积含量差异不显著。2)重金属污染水平是影响刺槐内生菌群落组成差异性的关键因子之一。随着重金属含量增加,内生菌群落多样性(shannon指数)降低,而丰富度(chao指数)增加。受到重金属污染的刺槐内生菌群落以放线菌门(Actinobacteriota)、变形菌门(Protebacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)为优势菌门;在属水平上,假单胞菌属(Pseudomonas)、青枯雷尔氏菌属(Ralstonia)等27个菌属在刺槐内生细菌群落中占有显著优势,其中有16个菌属与镉、铜、铅和锌的富集转运系数密切相关。3)以不同污染程度和不同植物器官样本分别构建内生菌群落共现性网络,结果显示重金属污染水平是影响网络拓扑结构和核心菌群类群的重要因素。内生菌共现网络模块的平均度、聚类系数、网络节点密度和连接边数随重金属含量增加而减少,物种间的相关性降低。葡萄球菌属、乳杆菌属(Lactobacillus)和根瘤菌属(Rhizobium)等18个菌属是重金属污染样地(HP和MP)网络关系中的核心菌群,而未受重金属污染样地(CK)的刺槐内生菌核心菌群主要有鞘氨醇菌属(Sphingobium)、康奈斯氏杆菌属(Conexibacter)、丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)和中华芽胞杆菌属(Sinibacillus)。4)内生菌群落中的核心菌群与其环境因子密切相关。葡萄球菌属是高含量重金属污染样地(HP)的核心菌群,该物种与植物中的钾含量(F-K)、镉的生物富集系数(BF-Cd)有显著负相关,与锌的转运(TF-Zn)、有机物质含量(R-OM)成极显著正相关;中等含量重金属污染样地(MP)的刺槐内生菌群落核心菌群是类杆菌属(Bacaeroides),该物种与宿主植物富集镉和铅(BF-Cd、BF-Pb)有显著的正相关关系。5)重金属胁迫可增强内生菌群落的功能适应性。刺槐内生菌核心菌群基因表达丰度较高的代谢途径是与内生菌基本生命活动有关的碳水化合物代谢、氨基酸代谢和能量代谢途径,其次是与抗逆性相关的外源性物质生物降解与代谢、辅酶因子和维生素代谢,细胞膜转运等途径。综上所述,不同程度重金属污染土壤刺槐内生菌群落结构、多样性、优势菌群、核物种等均存在差异,内生菌群结构与刺槐重金属富集转运的密切相关;重金属胁迫可增强内生菌落的功能适应性。研究结果为后续功能菌群的筛选及其植物-内生菌高效联合修体系的构建奠定基础。
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