耐镉细菌的筛选及其对牵牛花幼苗生长和镉积累的影响

doi:10.11686/cyxb2025415

摘要/Abstract

摘要：

本研究探讨耐镉微生物的生物学特性及其对植物耐镉性的影响，为微生物-植物联合修复重金属污染土壤提供科学依据。从污染土壤中筛选耐镉菌株，通过形态学、生理生化和16S rDNA序列分析的方法进行鉴定；采用液体培养法，测定其对镉（Cd）及其他重金属［铁（Fe）、铜（Cu）、铅（Pb）］的耐受性；运用傅里叶红外光谱（FTIR）技术对其进行表征分析；通过平皿试验分析菌株Hz_Cp与牵牛花联合富集镉的效果，并利用RT-qPCR检测牵牛花耐镉相关基因的表达。分离菌株Hz_Cp鉴定为嗜铜菌属（Cupriavidus sp.），其对Cd²⁺的耐受浓度达1600 mg·L^-1，在pH 7.0条件下，其对镉的去除率高达90.16%。该菌株具有固氮、分泌吲哚-3-乙酸（IAA）和铁载体的能力，且能耐受重金属、盐胁迫及极端温度。Hz_Cp通过其-OH、-COOH、-PO₄^3-等基团对镉离子进行生物吸附。牵牛花能够有效去除培养基中25.34%的镉离子（从200.00降低至149.32 mg·L^-1），且外源添加Hz_Cp显著提高了其对Cd的耐受性。菌株Hz_Cp不仅显著增强了牵牛花的叶绿素、类胡萝卜素和花青素含量，还提升了过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）活性，并上调了IpYUC1、IpPAP1等基因的表达水平。Hz_Cp能够促进牵牛花幼苗在镉胁迫下的生长，同时降低镉的积累，展现出在土壤重金属污染治理中的应用潜力。

关键词: 镉污染, 植物促生菌, 牵牛花, 重金属吸附, 耐受机理

Abstract:

This study investigated the biological characteristics of Cd-resistant microorganisms and their effects on plant cadmium tolerance， providing scientific evidence for the joint microbial-plant remediation of heavy metal-polluted soils. Cd-resistant bacteria strains were isolated from polluted soil and identified using morphological， physiological， biochemical， and 16S rDNA sequence analysis. The liquid culture method was used to assess the strain’s tolerance to Cd and other heavy metals （Fe， Cu， Pb）. Fourier transform infrared （FTIR） technology was applied for characterization. The effect of the strain Hz_Cp in conjunction with Pharbitis nil on cadmium accumulation was analyzed through petri dish experiments. RT-qPCR was used to detect the expression of genes related to cadmium tolerance in P. nil. The isolated strain Hz_Cp was identified as a species of Cupriavidus， with a cadmium tolerance concentration of up to 1600 mg·L^-1. When cultured at pH 7.0 conditions， the strain removed 90.16% of cadmium. In addition to its ability to fix nitrogen， secrete indole-3-acetic acid （IAA）， and produce siderophores， this strain also displays remarkable tolerance to a range of abiotic stresses， including heavy metals， salt， and extreme temperatures. Cupriavidus sp. （Hz_Cp） bio-adsorbs cadmium ions through functional groups such as -OH， -COOH， and -PO₄^3-. P. nil was able to remove 25.34% of cadmium ions from the culture medium （reducing from 200.00 to 149.32 mg·L^-1）， and the addition of Hz_Cp significantly enhanced its cadmium tolerance. The Cupriavidus strain Hz_Cp not only significantly increased the chlorophyll， carotenoid， and anthocyanin content in P. nil but also improved peroxidase （POD） and superoxide dismutase （SOD） activities， and upregulated the expression of genes such as IpYUC1 and IpPAP1. Hz_Cp promotes the growth of P. nil seedlings under cadmium stress while reducing cadmium accumulation， demonstrating its potential for application in remediation of soil heavy metal pollution.

Key words: cadmium pollution, plant growth-promoting bacterium, Pharbitis nil, heavy metal adsorption, tolerance mechanism

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图/表 7

表1 试验所用引物序列

Table 1 Primer sequences used in this test

基因名 Gene name	基因功能注释 Gene function annotation	引物序列（正向引物F/反向引物R） Primer sequence （forward primer F/reverse primer R）
IpZIP2	金属离子吸收和运输功能基因Metal ion absorption and transport functional genes	GATTTGACGGAGAAGGAGTA GTTTGAAGCGTTGCCTGATG
IpPAP1	花青素生物合成Anthocyanin biosynthesis	TCTTCCATTGTGCTTTCCCTG GTTGCTGGAGTGTAGTCAGTAG
IpPOD	过氧化物酶Peroxidase	CGCCAACACTCTTTGACAACAAG ACTCATCCTTATCATTGCCTTCGC
IpYUC1	生长素生物合成Auxin biosynthesis	CAAAGAAAGGAGCAAAGTTTATGG CTGAAGCCAAGTAGGCACGTT
GAPDH	牵牛花的内参基因The endogenous reference gene for P. nil	AGCGGAAAGCCTCGCAGT TGTCGTTACCATCTCGACCCA

表2 土壤理化性质

Table 2 Soil physicochemical properties

指标Indices	测定数值Measured values	指标Indices	测定数值Measured values
镉Cadmium （mg·kg^-1）	1.20±0.04	铅Lead （mg·kg^-1）	117.43±0.97
汞Mercury （mg·kg^-1）	8.58±0.10	有机质Soil organic matter （g·kg^-1）	23.85±0.16
砷Arsenic （mg·kg^-1）	7.27±0.12	全磷Total phosphorus （g·kg^-1）	0.57±0.00
锌Zinc （mg·kg^-1）	403.95±3.62	全钾Total potassium （g·kg^-1）	17.01±0.28
钙Calcium （mg·kg^-1）	204.44±2.93	速效氮Available nitrogen （g·kg^-1）	0.59±0.06
铜Copper （mg·kg^-1）	196.46±2.21

表3 土壤重金属含量中国背景值

Table 3 Background values of heavy metals in soil in China （mg·kg-1）

序号 Serial number	污染物项目 Pollutant items^{a， b}		风险筛选值Risk screening value
序号 Serial number	污染物项目 Pollutant items^{a， b}		pH≤5.5	5.5<pH≤6.5	6.5<pH≤7.5	pH>7.5
1	镉Cadmium	水田Paddy field	0.3	0.4	0.6	0.8
1	镉Cadmium	其他Others	0.3	0.3	0.3	0.6
2	汞Mercury	水田Paddy field	0.5	0.5	0.6	1.0
2	汞Mercury	其他Others	1.3	1.8	2.4	3.4
3	砷Arsenic	水田Paddy field	30	30	25	20
3	砷Arsenic	其他Others	40	40	30	25
4	铅Lead	水田Paddy field	80	100	140	240
4	铅Lead	其他Others	70	90	120	170
5	铬Chromium	水田Paddy field	250	250	300	350
5	铬Chromium	其他Others	150	150	200	250
6	铜Copper	果园Orchard	150	150	200	200
6	铜Copper	其他Others	50	50	100	100
7	镍Nickel		60	70	100	190
8	锌 Zinc		200	200	250	300

图1 Hz_Cp菌株特性研究（a） Hz_Cp在Luria-Bertani （LB）固体平板上的菌落形态；（b）菌株Hz_Cp的系统发育树；（c，d）不同温度、NaCl浓度对Hz_Cp生长特性的影响；（e）探究pH对Hz_Cp发酵液吸附镉的效应；（f）菌株Hz_Cp固氮活性；（g）产铁载体能力的检测。不同小写字母表示在不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。（a） Colony morphology of Hz_Cp on Luria-Bertani （LB） agar plates；（b） Phylogenetic tree of strain Hz_Cp；（c， d） Effects of different temperatures and NaCl concentrations on the growth characteristics of Hz_Cp；（e） Investigation of the effect of pH on cadmium adsorption by Hz_Cp fermentation broth；（f） Detection of nitrogen-fixing activity；（g） Siderophore production capability of strain Hz_Cp. Different lowercase letter indicate the significant differences （P<0.05） among different treatments. The same below.

Fig.1 Study on the characteristics of Hz_Cp strain

图2 Hz_Cp的重金属抗性及衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析（a、 b）菌株Hz_Cp对镉的抗性水平测定；（c）菌株Hz_Cp对多种重金属的抗性评估；（d）不同Cd2+浓度对Hz_Cp表面Zeta电位的影响（pH=7）；（e）菌株Hz_Cp的衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）光谱分析。（a，b） Determination of the cadmium resistance level of strain Hz_Cp；（c） Assessment of the resistance of strain Hz_Cp to various heavy metals；（d） Effect of different Cd2+ concentrations on the surface Zeta potential of Hz_Cp （pH=7）；（e） Attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy （ATR-FTIR） spectral analysis of strain Hz_Cp.

Fig.2 Hz_Cp’s heavy metal resistance and attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy （ATR-FTIR） analysis

图3 不同处理对牵牛花生长的影响（a~f） Hz_Cp处理对牵牛花生长及色素含量（叶绿素、类胡萝卜素、花青素）的影响；（g，h） Hz_Cp接种对牵牛花SOD和POD活性的影响；（i）牵牛花对镉吸收富集能力的评估。（a-f） Effects of Hz_Cp treatment on the growth and pigment contents （chlorophyll， carotenoid， anthocyanin） of P. nil；（g，h） Effects of Hz_Cp inoculation on SOD and POD activities in P. nil；（i） Assessment of cadmium uptake and enrichment capacity in P. nil.

Fig. 3 Effects of different treatments on the growth of P. nil

图4 牵牛花中相关基因的表达分析

Fig. 4 Analysis of related gene expression in P. nil

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