根瘤菌-豆科植物共生体系修复及响应土壤重金属污染机制研究进展

石千卉，袁晓霞，李 晴，包振江，乔美玲，张 波，冀照君

（内蒙古民族大学生命科学与食品学院，内蒙古 通辽 028043）

土壤环境直接影响现代农业的可持续发展及农作物产量，近年来，煤炭、稀土等资源的大力开采及工业废弃物排放，致使土壤环境日益恶化，其中，重金属污染问题尤为突出[1］。土壤中高浓度的重金属含量将导致肥力下降，作物产量与质量下降，甚至可以通过生物的食物链进行传递和转移，严重威胁到人类健康和自然生态系统的稳定[2］。因此，土壤重金属污染的控制和治理是目前全球面临的严峻挑战，引起了世界各国政府的高度关注。

1 土壤重金属污染修复的重要性及研究现状

1.1 土壤重金属污染修复的重要性

土壤中含有大量的有机质、无机矿物质以及十分复杂的微生物菌群结构，是人类赖以生存的物质基础，也是生态环境的重要组成部分，对酸、碱、高温、重金属污染等环境因子高度敏感[2］，其中，土壤重金属污染具有积累时间长、破坏力强、隐蔽性高等特点。化学肥料、大气沉降、污水灌溉、固废沉积是导致土壤重金属污染的主要来源[3-4］。土壤作为生态系统的重要组成部分，具有较强的自我净化功能，然而，大量的重金属污染已远远超出其净化能力。据研究证明，土壤污染与大气污染、水体环境污染密切相关，土壤重金属污染得不到修复，大气和水体环境重金属污染难以从根本上解决，自然生态系统遭到严重破坏[5］。因此，土壤重金属污染的修复已经成为一个亟待解决的现实问题，否则将难以维持生态系统的稳定和可持续发展。

1.2 土壤重金属污染修复的研究现状

近年来，世界各国都高度重视重金属污染土壤的修复技术研究工作。目前，重金属污染土壤的修复技术主要为物理、化学修复和生物修复。传统的物理、化学修复技术包括客土法、电荷富集法、土壤淋洗法，通过大幅度调整土壤的pH 值、电荷、水分含量等固定或分离重金属，虽然该处理方法效率高、风险程度低，但修复成本高，对土壤生态环境的破坏性较大，不能从根本上修复土壤[6-7］。生物修复技术包括植物修复、微生物修复以及植物-微生物联合修复。植物修复是借助具有强富集能力的植物，对重金属污染物采取提取、固定、挥发等方法进行去除，因其成本低、无二次污染、对环境影响小等特点备受青睐，但同时因为强富集植物生长周期长、生物量小、对环境要求高等缺点限制了实际应用[8］。微生物修复是在土壤中接入外源微生物后借助螯合、沉淀等作用，富集重金属，降低重金属毒性，成本低且修复效果较好，但该技术需要满足土壤中微生物生长繁殖的温度、水分、盐浓度等条件，因此，具有一定的局限性[9］。

研究人员发现，植物-微生物联合修复通过植物与微生物的协同作用可有效去除土壤环境中的重金属含量，具有高效性和生态可持续性，相比单一生物修复更有优势[10-11］。根瘤菌不仅能够营腐生生活在土壤中，还可以与豆科植物形成共生体系，改变土壤中重金属的化合态，进而提高宿主植物对重金属的富集能力和转化速度，降低重金属对土壤的毒副作用[12］，土壤重金属修复效率较高，应用前景十分广阔。

2 根瘤菌-豆科植物共生体系修复及响应土壤重金属污染的机制研究

2.1 耐受重金属胁迫的根瘤菌菌株筛选与应用

根瘤菌可以直接刺激并促进宿主植物的生长发育，刺激宿主IAA植物激素的产生、磷酸盐的溶解、铁载体的分泌以及一些特定酶的合成，降低植物中乙烯的胁迫程度，从而减少重金属对植物的毒副作用[13］。研究表明，在富含大量重金属污染物的土壤中，部分具有一定耐重金属能力的根瘤菌，在豆科植物根部形成根瘤后可以增强宿主对重金属的耐受性，促进植物生长繁殖，提高土壤修复效率[13］。WANI等[14］从生长在重金属污染土壤的豌豆根瘤中分离得到1株根瘤菌（Rhizobium leguminosarumRL9），该菌株对铅的耐受性高达1 600 μg·mL-1，在铅污染土壤中仍然能够诱导植物产生大量的吲哚-3-醋酸（IAA），同时对铁载体、氰化氢（HCN）和氨也呈阳性，具有促进植物生长的作用。KARTHIK等[15］从菜豆根瘤中分离出根瘤菌（Rhizobiumsp. ND2），发现该菌株具有吸收和固定铬（VI）的能力，在重金属铬的胁迫下可促使植物产生IAA、胞外多糖（EPS）、氨、蛋白酶和过氧化氢酶，能有效促进植物根的生长。OUBOHSSAINE 等[16］从Oujda地区（摩洛哥）周围受到高浓度重金属污染的废弃矿区土壤中分离出的6株根瘤菌，在多种重金属污染的土壤中仍然具有促进豆科岩黄芪植物生长的能力，菌株LMR291、LMR340、LMR249 和LMR283 显著提高了岩黄芪植物各项生长指标、光合色素含量和抗氧化酶活性，因此，根瘤菌是一类被广泛应用于重金属生物修复法的细菌。

2.2 根瘤菌耐受土壤重金属胁迫的机制

在自然进化过程中，长期营腐生生活在土壤中的根瘤菌对有毒有害物质和恶劣环境产生了较强的适应性，进而能够耐受高浓度的重金属离子[13］。根瘤菌胞外分泌物形成的外层屏障中含有大量的胞外多糖、脂多糖、糖蛋白等结合物，通过与重金属离子的络合作用，可以降低或阻碍重金属离子进入菌体内部[17］。即使微量的重金属进入细胞内，根瘤细胞还可以借助金属硫蛋白、细胞溶质与重金属螯合，在一定程度上减少重金属对根瘤菌的毒副作用[18］。除此之外，根瘤菌还具有从细胞内排出重金属离子的抗重金属机制[19］。

目前，许多研究者从分子水平深入研究了根瘤菌耐受重金属毒性作用的机制，发现根瘤菌在进化过程中获取了抗重金属的关键基因。HAO 等[20］从锌和铅矿区分布的刺槐根瘤中分离得到中慢生根瘤菌（Mesorhizobium amorphaeCCNWGS0123），全基因组分析发现，该菌株携带了多个与铜抗性相关的基因，例如编码RND 型铜外排系统（cusAB）、重金属外排和隔离系统（P1B-type ATPases）以及铜抗性决定基因的操纵子（如多铜氧化酶、外膜蛋白和蓝色铜氧化酶等）。MAYNAUD等[21］从黄花苜蓿中分离得到中慢生根瘤菌（M. amorphaeSTM 2683和M. amorphaeSTM 4661），经研究发现，这两株菌对锌和镉的耐受程度较高，全基因组分析并鉴定出13个可能参与锌和镉金属外排和隔离系统的基因序列且高度同源；转录组学分析发现，编码高亲和力ABC 型锌运输系统的同源基因znuABC可能参与了细胞内锌离子的动态平衡。综上所述，根瘤菌耐受并修复重金属污染的机制主要是细胞膜重金属排出的形态变化、金属硫蛋白的螯合作用、新陈代谢将重金属转化为毒性较小的氧化形式[22］。

2.3 根瘤菌接种豆科植物形成共生体系对土壤重金属污染的修复和响应

根瘤菌接种豆科植物形成的共生体系能够提高宿主根系对重金属的固定效应，使重金属在根系分泌物作用下聚集在根部，防止重金属土壤中随着水分发生迁移现象，达到良好的修复效果。GUO等[23］对大豆接种耐镉的慢生根瘤菌（Bradyrhizobium sp. YL-6）后，与未接种根瘤菌的阴性对照相比，宿主大豆根际镉浓度显著增加，大豆体内镉浓度显著减少。随后，CHEN等[24］对紫花苜蓿接种了耐铜的中华根瘤菌（Sinorhizobium melilotiCCNWSX0020）后，缓解了土壤中高浓度铜对紫花苜蓿幼苗生长的毒害作用，为宿主提供氮素营养的同时增加了植物根系铜的聚集，抑制了紫花苜蓿对重金属的吸收。假单胞菌（Pseudomonas sp.）、金雀儿根瘤苍白杆菌（Ochrobactrum cytisi）等植物生长促生菌（PGPRs）联合根瘤菌接种豆科植物，植物根部重金属铅、镉和锌的积累量均减少了50%以上，大大缓解了重金属对植物的毒害作用，增强了生物修复能力[25］。

抗重金属根瘤菌接种豆科植物，不仅能够增加重金属在根系的聚集量，宿主还能够响应高浓度重金属污染，降低豆科植物体内重金属的吸收量，从而减缓重金属对豆科植物的危害作用。WANI等[26］对扁豆接种耐多金属且促进植物生长的慢生根瘤菌（Bradyrhizobium sp. RM8）后，扁豆的生长量、结瘤率、叶绿素含量、血红蛋白含量等指标均显著高于未接种根瘤菌的阴性对照组，同时降低了宿主扁豆对镍的吸收量，促进植物在镍污染土壤中的快速生长繁殖。在镍和锌的含量分别为580 mg·kg-1和9 780 mg·kg-1的土壤中，将根瘤菌（Rhizobium sp. RP5）接种到豌豆根部，宿主植物的根瘤数、产量、根与茎中含氮量等指标都显著提高，根瘤中谷胱甘肽还原酶活性较强，有效降低了豌豆对镍和锌吸附量[27］，为重金属污染土壤中豌豆的规模化种植提供了良好的种植模式。QUIÑONES等[28］对羽扇豆接种耐汞的慢生根瘤菌（Bradyrhizobium canarienseL-7AH）后，发现羽扇豆在汞浓度极高的情况下，光合效率仍然较高，固氮酶活性较为稳定，能够发挥高效的结瘤固氮作用。因此，根瘤菌的结瘤固氮作用可以促进宿主植物在重金属污染土壤中的生长繁殖，并有效遏制重金属在植物体内的积累，实现规模化种植。

3 总结

目前，土壤重金属污染问题日益严重，如何保护和修复土壤环境、探究高效生物修复技术是当前的瓶颈问题。大量研究表明，部分根瘤菌在重金属胁迫时能够产生胞外多糖、脂多糖、糖蛋白等结合物形成外层屏障以及与重金属离子络合等机制，呈现出较强的重金属耐受性，接种豆科植物形成共生体系，能够有效修复和响应土壤重金属污染，是一种高效的生物修复和响应方式，进而缓解重金属对豆科植物的毒副作用。

然而，目前已发现的耐受重金属根瘤菌菌株相对较少，根瘤菌耐受不同种类的重金属污染机制还有待进一步研究。因此，尚需筛选出耐受多种重金属胁迫的高效根瘤菌，将根瘤菌与根际促生菌联合接种豆科植物，有效提高豆科植物结瘤固氮能力，揭示根瘤菌-豆科植物共生体系修复和响应土壤重金属污染的分子调控机制，为重金属污染土壤中根瘤菌接种豆科植物的种植模式研究提供重要参考。