2023年6月28日，中国农业科学院麻类研究所朱爱国研究员团队陈坤梅老师在Chemosphere杂志（IF=8.8）发表题为“Systematic evaluation of ramie (Boehmeria nivea L.) for phytoremediation of cadmium contaminated soil and the mechanism of microbial regulation”的研究论文，该研究研发提出了苎麻耐镉种质“水培-盆栽”快速筛选方法，并从中选取优良品种进行田间试验，结合组学测序，系统评价并揭示了苎麻修复镉污染土壤的修复模式及微生物调控机制。为重金属污染植物修复研究领域提供了技术路线和实践生产经验。
发表期刊：Chemosphere
影响因子：8.8
涉及的服务产品：宏基因组测序
苎麻是重金属修复的理想作物，挖掘优良苎麻种质资源是苎麻修复重金属污染的重要环节。苎麻是多年生作物，需要种植一年以上才能测定其农艺性状以及重金属耐受性和富集能力。在田间条件下进行大量的种质资源筛选，费时费力，给优良苎麻种质资源的筛选带来困难。另外苎麻也是一种高蛋白饲料，利用苎麻修复重金属污染土壤其饲养价值和修复后的饲用安全性仍然未知。根际微生物在重金属修复领域发挥着重要作用，可通过刺激植物根系的生长发育来影响植物对重金属的吸收。研究表明，不同苎麻品种根际微生物群落的结构和丰度存在差异。然而，在田间条件下，镉胁迫是否会影响不同苎麻品种根际微生物的差异，以及哪些优势菌与重金属富集有关等问题目前尚不清楚。基于此，该团队开展了本研究的系列工作，旨在探索一种快速高效的筛选体系，快速筛选并获得镉高耐性及镉高富集的苎麻品种，然后利用这些品种进行田间修复实验，并进行修复后苎麻再利用评价实验，从而系统、全面地研究苎麻在镉污染土壤修复中的综合效益，为重金属污染植物修复研究领域提供参考。
本研究创新研发了苎麻 “水培-盆栽”快速筛选系统，利用196份核心种质资源快速有效鉴定其耐镉性和富镉能力，然后从中选取两个优良品种ZZ2和ZSZ1在Cd污染大田进行了为期4年的田间试验，最后结合宏基因组技术深入研究了苎麻的修复模式、修复后回用评价以及微生物调控机制。研究结果表明，苎麻采用“吸收-活化土壤Cd-迁移-吸收”的循环模式对Cd污染田进行修复，鉴定出假诺卡氏菌属等10个优势属以及根际土壤关键功能基因（mdtC、mdtB、mdtB/yegN、actR、rpoS、ABA转运蛋白基因）参与激活根际土壤Cd，促进苎麻富集Cd。
Result1 富镉苎麻种质资源的筛选
Result1.1 水培筛选试验
为了快速筛选镉高耐性和镉高富集的苎麻品种，本研究通过水培筛选实验对196份苎麻种质资源的镉吸收特性进行了分析。结果显示，所有苎麻品种的Cd含量主要分布在根部，其次是茎，叶中最低。各品种的富集系数差异较大，范围为77.7～4761。其中，23个品种的富集系数超过1000，1个品种的富集系数超过4000。该团队还利用不同器官中Cd含量值、转移系数和富集系数进行了隶属函数（MF）和主成分分析（PCA），发现196个苎麻品种主要可分为7个大簇。综合考虑聚类结果和Cd胁迫下的生长情况，筛选出40个品种作为进一步实验的候选品种。
图1.1 水培筛选试验结果
Result1.2 盆栽筛选试验
为了进一步筛选后续试验的候选品种，本研究将水培筛选试验确定的40个候选品种用于镉胁迫下的盆栽筛选试验，分析了镉处理75d（2016年）和150d（2017年）后地上部分的镉含量和产量相关性状（株高、茎厚、叶数、分株数、鲜重和干重）。结果发现，两年间株高同时表现良好的品种有ZZ2、1400、1367、ZSZ1等13个品种，被评为“优良品种”。其中，有38个品种的鲜重和干重变异系数在23%~29.93%之间，生物量差异较大。该团队进一步使用MF和PCA的值进行聚类分析。将38个品种分为5组，其中I、II、III组被认为是镉高耐受组，IV、V组被认为为镉低耐受组。聚类到组I中的品种（ID:544）被视为最具耐受性的品种。最终，综合聚类结果、株型和各品种在镉胁迫下的生长状况，选择II组的ZZ2和III组的ZSZ1作为后续试验的候选品种。
图1.2 镉处理下的盆栽筛选试验结果
Result2 苎麻对镉污染农田的修复与评价
Result2.1 不同季节不同苎麻组织中Cd的富集特征及不同金属活化剂对苎麻中Cd富集的影响
本研究利用先前实验鉴定出的两个苎麻品种ZZ2和ZSZ1进行了镉污染农田的修复实验。结果发现，种植在田间的苎麻植物生长良好，表明在田间条件下，ZZ2和ZSZ1对Cd的耐受性很高。在2017年，ZZ2和ZSZ1各组织Cd含量的变化趋势相似，第一季和第二季为纤维>茎>叶，第三季为纤维>茎>叶>花。在2018年，ZZ2的单株总镉积累量是显著高于ZSZ1的。该团队还发现经过苎麻修复后，试验田土壤Cd含量下降，并且经过22个月的修复，两个品种根际土壤Cd含量均低于非根际土壤。
为了分析不同金属活化剂对苎麻中 Cd 富集的影响。本研究在田间条件下将草酸 (OXA)、EDTA 和柠檬酸 (CA) 施用于苎麻根部，发现不同浓度的OXA和EDTA处理均显着增加了ZSZ1的株高、鲜重和干重，其中，20 mmol/kg的OXA和10 mmol/kg EDTA处理的增加效果最好。还发现，每种浓度的OXA、EDTA和CA处理均提高了ZSZ1茎中的Cd含量，其中，10 mmol/kg的OXA，10 mmol/kg 的EDTA和3 mmol/kg 的CA处理增加了纤维和叶片中的Cd含量，表明低浓度的金属活化剂处理有利于Cd向苎麻叶片和纤维的运输。
图2.1 田间条件下苎麻修复的结果
Result2.2 苎麻修复后的再利用评价
为了评价镉污染大田恢复后苎麻的再利用价值，本研究对苎麻嫩茎叶的饲用营养价值、纤维品质和纤维产量进行了分析。其中，纤维的品质和产量是在 2018 年第一和第二个收获季测定的。结果发现，ZZ2和ZSZ1的纤维细度修复后仍保持较高水平，两个检测季节ZSZ1的茎粗和皮厚均略高于ZZ2，但不同的是，ZZ2的分株数和株高显著高于ZSZ1，检测的两个季节，ZZ2的生物量鲜重和干重均大于ZSZ1，相应地，纤维的鲜重和干重也高于ZSZ1。这些数据表明，对镉污染大田修复后，ZZ2 的纤维品质和产量均优于 ZSZ1。同时，为研究修复后苎麻的饲用品质，该团队还测定了2016年和2017年苎麻株高70~100 cm时嫩茎叶的粗蛋白、粗脂肪、粗纤维和灰分。两年数据显示，ZSZ1的粗蛋白略高于ZZ2，而粗脂肪、粗纤维和灰分两品种差异不大。综合来看，这些数据表明了对各污染大田修复后，苎麻的饲用价值仍保持较高水平。
图2.2 镉污染大田恢复后苎麻植物的再利用评价
Result3 苎麻根际微生物对镉污染大田修复的调控机制分析
Result3.1 镉胁迫下不同品种苎麻根际微生物群落组成
为研究镉污染大田土壤微生物对苎麻Cd富集的影响，本研究对苎麻根际土壤和非根际土壤（CK）的微生物群落和丰度进行了检测。结果表明，两个品种（ZSZ1和ZZ2）的根际和非根际微生物的种群组成不同。在属水平上，两个品种的根际微生物有显著差异。ZSZ1有8个属的丰度显著高于ZZ2，而Desulfobulbus、Metromicrobium等22个属的丰度在ZZ2中显著高于ZSZ1。Lefse分析结果显示，与ZZ2相比，ZSZ1的前5个优势属为Pseudonocardiales、Pseudonocardiaceae、Sphingomonadales、Sphingomonas和Sphingomonadacea, ZZ2的前5个优势属为Terriglobus、Granulicella、Gemmatimonas、Granulicella_mallensis和Gemmatimonas。
同时，为了研究土壤微生物对苎麻修复Cd污染土壤的影响，该团队还采用Cd含量、生物量等检测指标进行了相关性分析。结果发现，在ZSZ1中，古生菌与地上部鲜重、纤维鲜重、纤维干重、分株数等产量性状呈显著负相关，真核生物、真菌、后生动物、病原菌、病毒等与地上部鲜重、纤维干重呈显著正相关。在ZZ2中，古菌、真核生物、后生动物、病毒与单纤维强力呈显著负相关，而noRank与单纤维强力呈显著正相关。
图3.1 镉胁迫下不同品种苎麻根际微生物群落组成
Result3.2 苎麻根际微生物基因功能分析
本研究通过比较eggNOG和CAZy数据库，分析基因在根际土壤微生物中的作用。结果显示， ABA转运蛋白(COG0444)、延胡索酸水解酶（COG0179）和泛醌生物合成相关基因在ZSZ1根际微生物中特异识别，而糖苷水解酶、糖基转移酶和碳水化合物结合模块在ZSZ1和ZZ2根际微生物中普遍存在。 同时，BacMet数据库被用于鉴定重金属富集相关基因。结果显示，Cd、砷、铬和其他物质被鉴定出来。其中 29 个基因与 Cd 耐受性或 Cd 富集相关。进一步分析了它们的表达， 发现ZSZ1中维持氢离子平衡的两个基因actR和rpoS的表达显着低于ZZ2。
图3.2 ZZ2(组1)和ZSZ1(组2)根际土壤微生物基因功能分析
本研究创新性地建立了快速有效的耐Cd苎麻种质筛选体系，筛选获得了耐Cd能力强、Cd富集能力高的优良种质，并选用典型种质进行了Cd污染田间修复评价。证实了使用金属活化剂和根际微生物可以有效促进苎麻的修复效率，同时发现苎麻不仅可以修复Cd污染土壤，纤维还可以重复利用，创造了良好的生态和经济效益。该研究为重金属污染植物修复研究领域提供了技术路线和实践生产经验。
参考文献
Chen, Kunmei, et al. Systematic evaluation of ramie (Boehmeria nivea L.) for phytoremediation of cadmium contaminated soil and the mechanism of microbial regulation. Chemosphere, vol. 337 139298. 28 Jun. 2023, doi:10.1016/j.chemosphere.2023.139298.
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