根際微生物對植物重金屬脅迫的緩解作用及其機(jī)理研究進(jìn)展

楊露 辛建攀 田如男

（南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，南京 210037）

由于農(nóng)藥化肥的大量施用、污水污泥的不當(dāng)處理、尾礦堆存和溶淋、大氣沉降及工業(yè)廢水的不合理排放等，重金屬污染已成為備受全球關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題之一［1］。重金屬廣泛分布于水體、土壤及空氣等介質(zhì)，不但能夠經(jīng)由根系吸收、葉面吸附等途徑進(jìn)入植物體內(nèi)，誘發(fā)細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)，干擾多種生理代謝活動，包括水分與營養(yǎng)物質(zhì)吸收、光合作用及內(nèi)源植物激素穩(wěn)態(tài)等，從而抑制植物生長與發(fā)育［2-7］，而且可以通過食物鏈的富集作用對人類和其他生物健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅［8］。因此，重金屬污染環(huán)境的修復(fù)工作迫在眉睫。

在生態(tài)文明建設(shè)的國家重大需求下，重金屬污染環(huán)境的綠色修復(fù)是環(huán)境治理與修復(fù)領(lǐng)域的技術(shù)前沿和重點(diǎn)發(fā)展方向［9］。植物修復(fù)技術(shù)具有低成本、低維護(hù)、二次污染易控制及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，能夠通過植物根系吸收、揮發(fā)、過濾及穩(wěn)定等作用有效降低環(huán)境中重金屬濃度，已成為重金屬污染環(huán)境綠色修復(fù)的重要手段。近年來，隨著重金屬污染環(huán)境植物修復(fù)研究的逐步深入，根際區(qū)域受到諸多學(xué)者的關(guān)注。研究表明，植物根系可以通過向根際環(huán)境釋放多種化學(xué)物質(zhì)，改變土壤理化性質(zhì)和微生物種類組成，調(diào)節(jié)其與微生物之間的關(guān)系，從而改善微生物的生存環(huán)境［10-11］。這種作用能夠反向促進(jìn)寄主植物生長，并增強(qiáng)其對逆境脅迫的適應(yīng)能力［12-13］。

目前，有關(guān)微生物緩解植物重金屬脅迫的研究陸續(xù)被報道，多集中于根際促生菌和菌根真菌等。鑒于此，本文就根際微生物組成、根系-微生物相互作用、根際微生物對植物重金屬抗逆性及其抵御重金屬脅迫的相關(guān)機(jī)制等方面進(jìn)行綜述，以明確植物與微生物的聯(lián)結(jié)作用對重金屬脅迫下植物生長及其脅迫耐性的調(diào)控作用，同時為探索微生物輔助植物修復(fù)重金屬污染環(huán)境研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 根際微生物

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要組成部分之一，在食物鏈中扮演著分解者的角色。它不但能夠通過硝化、氨化、反硝化及生物固氮等生化過程增加土壤中氮（N）、磷（P）濃度，從而提高土壤肥力［14-15］，而且可以分解有機(jī)質(zhì)消除污染物，分泌化學(xué)信號物質(zhì)（如酚類、萜類化合物等）及抑制病原菌等，改善植物養(yǎng)分供應(yīng)和環(huán)境適應(yīng)能力［16-17］。其中，與植物相關(guān)的微生物被稱為植物微生物組，也被認(rèn)為是植物的第二基因組。它包括附著在植物外表面的微生物（葉際）、寄生在組織內(nèi)的微生物和與土壤根際密切相關(guān)的微生物群［18-19］。這些微生物群的許多成員對植物生長、土壤生態(tài)修復(fù)、水質(zhì)修復(fù)及氣候變化等均有較大益處［20-22］。

根際區(qū)域是鄰接植物根系的土壤區(qū)域［23］，含有高度多樣化的微生物群落，其基因數(shù)量遠(yuǎn)超植物基因數(shù)量［24］，被認(rèn)為是最復(fù)雜的生態(tài)區(qū)域之一。根際區(qū)域是生物界的研究熱點(diǎn)之一，相關(guān)學(xué)者在根際發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌、真菌、卵菌、線蟲、原生動物、藻類、病毒及古細(xì)菌等眾多微生物［25-26］。在根際區(qū)域中，一方面植物根系釋放分泌物吸引各類微生物構(gòu)建根際微生物組；另一方面微生物通過各種活動調(diào)節(jié)植物與環(huán)境間的相互作用，促進(jìn)植物生長，加速植物修復(fù)進(jìn)程，從而改善生態(tài)環(huán)境［27］。某些微生物因其對植物和環(huán)境的有益作用而被廣泛關(guān)注，包括固氮細(xì)菌、菌根真菌、植物生長促進(jìn)菌、生防微生物及真菌寄生菌等［24］。植物生長促進(jìn)菌包括刺激植物生長或賦予植物脅迫抗性的有益真菌（plant growth-promoting fungi，PGPF）和細(xì)菌（plant growthpromoting bacteria，PGPB）［28］。其中，PGPF 主要與植物抗病能力有關(guān)［29-30］，PGPB的部分成員（如植物根際促生菌，plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR）多與植物重金屬脅迫耐性有關(guān)，在植物修復(fù)重金屬污染環(huán)境中具有重要作用［31-32］。

2 植物根系分泌物-根際微生物之間的相互作用

2.1 植物根系分泌物對根際微生物的影響

植物根系能夠釋放化學(xué)物質(zhì)與根際微生物進(jìn)行交流，并迅速建立有效共生關(guān)系，被認(rèn)為是維持土壤環(huán)境穩(wěn)態(tài)、促進(jìn)植物生長的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［33-34］。Akiyama等［35］發(fā)現(xiàn)，AM真菌在感應(yīng)到宿主根系釋放的獨(dú)腳金內(nèi)酯（SLs）后，菌絲會穿透并定殖于寄主根皮層細(xì)胞，并分化形成叢枝結(jié)構(gòu)與植物進(jìn)行營養(yǎng)交換。

植物根系可以分泌各種初級代謝產(chǎn)物（糖類、氨基酸等）和次級代謝產(chǎn)物（有機(jī)酸、萜類等），并通過傳遞、重塑等作用改變根際微生物區(qū)組。其中，某些分泌物可以調(diào)控微生物體內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)，一方面促使微生物相關(guān)基因座的轉(zhuǎn)錄和特定化合物的生物合成，促進(jìn)微生物的擴(kuò)繁和定殖；一方面招募多種有益微生物以抵抗有害微生物，對植物根際微生物群落的建立和穩(wěn)態(tài)有較大影響［36］。研究表明，銀杏（Ginkgo biloba）根系分泌的倍半萜內(nèi)酯類化合物能夠誘導(dǎo)叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）孢子萌發(fā)和菌絲分枝形成，促進(jìn)菌根定殖和宿主對水分、養(yǎng)分的吸收［35］。同時，宿主根系分泌水楊酸（SA）不但可以促進(jìn)根際有益細(xì)菌的定殖，而且能夠通過驅(qū)動植物免疫信號在根際可用微生物群落中篩選并塑造優(yōu)勢微生物群落［37］。此外，根系分泌物可能是驅(qū)動微生物群落交叉定殖的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)，木豆（Cajanus cajan）-玉米（Zea mays）間作可以促進(jìn)根系分泌類黃酮含量的增加，并改變有機(jī)酸（包括富馬酸、蘋果酸和琥珀酸等）種類與含量，從而誘導(dǎo)微生物對根系分泌物表現(xiàn)出顯著的趨化作用［38］。

此外，植物根系還能夠與某些真菌以互惠互利關(guān)系建立菌根共生體，通過釋放相關(guān)分泌物為真菌提供能量，而真菌則為宿主提供養(yǎng)分與水分，二者協(xié)調(diào)生長。龐大的菌根體系在地下網(wǎng)絡(luò)中連接同種或異種植物個體，介導(dǎo)植物養(yǎng)分和水分轉(zhuǎn)移、化學(xué)信號傳導(dǎo)等，從而增強(qiáng)宿主植物對逆境的耐受性［39］。

2.2 根際微生物對植物根系分泌物的反饋?zhàn)饔?/h3>

微生物感知植物根系釋放的信號后會釋放相關(guān)物質(zhì)，對宿主植物生長及其抗逆性等產(chǎn)生影響，由此形成土壤-根系-微生物的信號閉環(huán)。微生物可以分泌結(jié)瘤因子（nodulation factors，Nod factors）、菌根因子（mycorrhizal factors，Myc factors）、微生物相關(guān)分子模式（microbial-associated molecular patterns，MAMPs）和揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VOCs）等物質(zhì)，并通過改變植物激素網(wǎng)絡(luò)對宿主產(chǎn)生影響［40］。研究表明，植物體內(nèi)水楊酸水平的增高會延遲AMF菌根定殖［41］，而根瘤菌和菌根真菌釋放的Nod和Myc因子可以抑制宿主體內(nèi)水楊酸介導(dǎo)的防御反應(yīng)，并結(jié)合LysM類受體激酶啟動共生信號通路，促進(jìn)微生物與宿主的共生定殖，從而促進(jìn)植物生長［42-43］。微生物的MAMPs（包括脂多糖、冷休克蛋白、鞭毛蛋白和幾丁質(zhì)等）可以促進(jìn)植物系統(tǒng)獲得性抗性的形成，激發(fā)植物激素網(wǎng)絡(luò)（如水楊酸、茉莉酸、乙烯）級聯(lián)反應(yīng)，從而提高植物應(yīng)對生物或非生物脅迫的抗逆性［44-46］。

植物根系還能夠響應(yīng)微生物釋放的VOCs（醇類、苯類、醛類及酸類等），其與光合相關(guān)信號共同作用可以激活擬南芥（Arabidopsis thaliana）根系中參與根際細(xì)菌介導(dǎo)的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性（rhizobacteriainduced systemic resistance，ISR）和鐵（Fe）吸收相關(guān)的MYB72，從而增強(qiáng)植物根系對微量元素Fe的吸收能力［47］。假單胞菌（Pseudomonas simiae）產(chǎn)生的揮發(fā)性VOCs能夠誘導(dǎo)編碼營養(yǎng)貯藏蛋白（vegetative storage protein，VSP）、γ-谷氨酰水解酶（gamma-glutamyl hydrolase，GGH）和RuBisCo大鏈蛋白基因的上調(diào)表達(dá)來促進(jìn)大豆（Glycine max）生長并緩解逆境傷害［48］。微生物與植物產(chǎn)生并傳遞的相關(guān)化合物影響著植物基因表達(dá)、根形態(tài)構(gòu)成和植物系統(tǒng)抗性等，間接證明了微生物向植物釋放環(huán)境脅迫信號的現(xiàn)象［49］。

3 根際微生物對植物重金屬脅迫的緩解作用

3.1 植物根際促生菌

接種植物根際促生菌（PGPR）可以明顯減輕重金屬對植物的毒害作用。Saleem等［50］發(fā)現(xiàn)，接種熱氏假單胞菌（Pseudomonas gessardii）或熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）能夠顯著促進(jìn)向日葵（Helianthus annuus）葉片光合作用，并增加株高、根長及干重，從而減弱鉛（Pb）脅迫毒害程度，相似的結(jié)果也被發(fā)現(xiàn)于重金屬脅迫下的紫色苜蓿（Medicago sativa）［51］、小白菜（Brassica campestris ssp. chinensis）［52］及水稻（Oryza sativa）［53］等多種植物。

首先，PGPR可以誘導(dǎo)寄主植物根系表面形成生物膜并定殖，其能夠有效緩解植物遭受的氧化損傷。研究發(fā)現(xiàn)，接種耐重金屬菌團(tuán)（如Proteus sp.、Pseudomonas sp.及 Ensifer meliloti） 能 夠 促 進(jìn)紫花苜蓿合成非酶類抗氧化劑（抗壞血酸、谷胱甘肽和多酚）和酶類抗氧化劑（CAT、SOD、GPX和APX），有效清除細(xì)胞中的ROS，降低氧化應(yīng)激指數(shù)（oxidative stress index，OSI），從而緩解重金屬誘導(dǎo)的氧化損傷［54］。同時，PGPR可以降低植物呼吸碳消耗，并分泌生長素、赤霉素及細(xì)胞分裂素等植物激素，從而促進(jìn)宿主根系生物量增加以固定更多的重金屬［55-56］。Kotoky等［57］發(fā)現(xiàn)，黏質(zhì)沙雷氏菌（Serratia marcescens S2I7）能夠分泌大量生長素（IAA），促進(jìn)水稻根長、莖長及干重的增加，從而促進(jìn)植株生長并增強(qiáng)其對Cd脅迫的抗性。其次，PGPR能夠溶解礦質(zhì)養(yǎng)分為植物生長發(fā)育提供能量。研究發(fā)現(xiàn)，根際溶磷菌可以通過溶磷機(jī)制溶解無機(jī)磷酸鹽為宿主植物提供磷元素，從而促進(jìn)植株分蘗數(shù)、根系體積及干重的增加［58］。此外，在重金屬脅迫下，PGPR可以與植物根系結(jié)合產(chǎn)生胞外聚合物以絡(luò)合重金屬，或通過誘導(dǎo)脅迫相關(guān)基因和蛋白表達(dá)，增強(qiáng)植物生理代謝作用，從而促進(jìn)植物生長，并增強(qiáng)其抗逆性［59-60］。Kong等［61］發(fā)現(xiàn)，接種Sinorhizobium meliloti可以誘導(dǎo)天藍(lán)苜蓿（Medicago lupulina）CuZnSODc、CuZnSODp和APXc等抗氧化基因的上調(diào)表達(dá)，促進(jìn)抗氧化酶活性升高，從而提高植物應(yīng)對過量銅脅迫的抗氧化防御能力，相似的結(jié)果也被發(fā)現(xiàn)于鎘脅迫下的番茄［62］。

3.2 菌根真菌

菌根包括外生菌根、叢枝菌根和內(nèi)生菌根［63］，其中外生菌根、叢枝菌根與植物重金屬脅迫耐性密切相關(guān)。菌根結(jié)合和菌根類型可以促進(jìn)植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和病原體拮抗物的產(chǎn)生，從而改變生物多樣性，同時菌根結(jié)合可以有效降低土壤中重金屬離子的遷移和生物可利用性，有利于改善植物抗逆性［39，64］。

在重金屬脅迫下，外生菌根可以誘導(dǎo)氮代謝、乙醇及脂肪酸代謝等相關(guān)基因的表達(dá)，從而有效緩解重金屬毒害作用。Shi等［65］等發(fā)現(xiàn)，外生菌根一方面通過硝酸還原酶家族基因（nidD，niiA）調(diào)節(jié)反硝化和還原六價鉻（Cr6+）以緩解其誘發(fā)的氧化脅迫，一方面可以通過上調(diào)乙醇脫氫酶Ⅲ啟動子（alcC）、乙醛脫氫酶（aldA）等基因，保護(hù)巰基、促進(jìn)次生代謝產(chǎn)物及長鏈不飽和脂肪酸生物合成，相似的結(jié)果也被發(fā)現(xiàn)于重金屬脅迫下的Saccharomyces cerevisiae［66］。Khullar等［67］發(fā)現(xiàn)，外生菌根可以合成金屬硫蛋白、谷胱甘肽等非蛋白巰基肽化合物，其可以通過螯合作用降低胞內(nèi)重金屬離子濃度。同時，外生菌根可以有效保證宿主植物對養(yǎng)分與水分的吸收、運(yùn)輸和利用，從而有利于植株生長及其抗逆性［68］。研究表明，接種外生菌根（Pisolithus tinctorius）可以明顯降低巨桉（Eucalyptus grandis）降低葉片錳含量，促進(jìn)葉片碳同化、水分利用效率及養(yǎng)分吸收速率等［69］。Szuba等［70］發(fā)現(xiàn)，耐鉛真菌（Paxillus involutus）可以改善Pb2+脅迫下楊樹（Populus canescens）葉片光合作用，并能夠?qū)b2+固定在真菌細(xì)胞中，從而緩解Pb2+植物毒性。

接種叢枝菌根不但能夠改變介質(zhì)中重金屬形態(tài)，而且可以促進(jìn)宿主植物水分養(yǎng)分的吸收、光合過程中碳水化合物的交換等，從而促進(jìn)植物生長及其對重金屬脅迫的耐受性。研究表明，接種AMF可以提高重金屬脅迫下玉米葉片葉綠素含量、光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，提升植株產(chǎn)量和品質(zhì)，并有效降低土壤有效態(tài)Cd2+、Pb2+含量［71］，這可能是因為過量重金屬可以誘導(dǎo)AMF菌絲合成和積累不溶性糖蛋白（球囊素），其能夠通過螯合作用改變根際重金屬化學(xué)形態(tài)，從而降低其生物可利用性［72］。同時，AMF還可以促進(jìn)菌根內(nèi)特定基因上調(diào)，誘導(dǎo)金屬硫蛋白、分泌蛋白及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白生物合成，從而增強(qiáng)宿主對重金屬脅迫的抗性［73］。Meier等［74］發(fā)現(xiàn)，GrosMT1、鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體GinZnT1、GmarMT1 和GintABC1參與維持AMF菌體胞內(nèi)重金屬穩(wěn)態(tài)過程。過量鋅（Zn）能夠促進(jìn)GinZnT1的表達(dá)并將Zn2+區(qū)隔于液泡中，同時上調(diào)GmarMT1以促進(jìn)金屬硫蛋白的生物合成，并調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原電位，保護(hù)植物免受重金屬誘發(fā)的氧化損傷等。此外，AMF能夠促進(jìn)植物體內(nèi)特異性磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞中P濃度的增加，從而提高葉片光合作用、植株生長量、單株鈴數(shù)和纖維成熟度［75］（表1）。

表1 根際微生物對重金屬脅迫下植物生長與生理代謝促進(jìn)作用Table 1 Effects of rhizosphere microorganisms on plant growth and physiological metabolism under heavy metal stress

4 根際微生物緩解植物重金屬脅迫作用機(jī)制

4.1 微生物自身防御機(jī)制

在重金屬脅迫條件下，微生物可以通過胞外吸附與沉淀、胞內(nèi)區(qū)隔以緩解重金屬生物毒性。過量重金屬脅迫不但可以誘導(dǎo)細(xì)菌形成胞外多糖，為金屬陽離子提供吸附位點(diǎn)［87］，而且可以促使抗性基因（如copA、copB、copC和copD）編碼蛋白形成重金屬離子的胞外結(jié)合位點(diǎn)，避免其進(jìn)入胞內(nèi)破壞組織結(jié)構(gòu)［88］。同時，微生物可以促使類金屬硫蛋白基因（smtA）編碼金屬硫蛋白，與重金屬結(jié)合進(jìn)行胞內(nèi)區(qū)隔［89］，并通過分泌大量的谷胱甘肽、草酸等化合物形成胞外沉淀［90-91］。其次，Misra等［92］發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌可以進(jìn)化出一組具有汞（Hg）抗性的操縱子基因（mer）以適應(yīng)Hg（II）脅迫，并誘導(dǎo)有機(jī)汞裂解酶和汞離子還原酶的生物合成，從而降低Hg毒性。此外，菌絲體是菌根植物的一道天然屏障，其可以通過吸附作用將重金屬固定在菌絲、叢枝和小泡結(jié)構(gòu)中，增強(qiáng)植物根系固定重金屬的能力，從而抑制重金屬從根系到地上部的遷移能力［93-94］。

4.2 促進(jìn)植物根系分泌物釋放

逆境會刺激根系分泌物在根際區(qū)域釋放，其能夠與重金屬離子結(jié)合形成穩(wěn)定復(fù)合物，從而影響重金屬在介質(zhì)中的遷移率、溶解性和生物有效性等［95］。其中，鐵載體、有機(jī)酸及生物表面活性劑能與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合或螯合反應(yīng)，增加土壤中重金屬離子的有效性和溶解性，從而提高植物對有毒離子的吸收能力［96］。Shi等［97］發(fā)現(xiàn)，接種耐Cd銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）可誘導(dǎo)龍葵（Solanum nigrum）根系分泌鐵載體，其能夠螯合Cu2+、Cd2+、Zn2+及Ni+，促進(jìn)幼苗對Cd2+的吸收，并改善植株長勢。同時，小米（Setaria italica）根系分泌的低分子量有機(jī)酸（LMWOA）能夠與Cd2+螯合形成Cd-LMWOA，促進(jìn)根系對Cd2+的吸收［98］。此外，根際微生物可以合成胞外聚合物、糖蛋白，其能夠通過固定作用降低重金屬在土壤中的遷移能力［72］。

4.3 抑制植物乙烯合成

植物受到重金屬脅迫時會產(chǎn)生大量乙烯，誘導(dǎo)葉片早衰脫落、根系生長抑制等，從而妨礙植物生長發(fā)育，并降低其抗逆性［99］。植物根際微生物能通過酶解乙烯合成的直接前體1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）來減少乙烯生物合成，從而緩解乙烯對植株產(chǎn)生的傷害［100］。目前，ACC脫氨酶活性是植物根際有益微生物提高宿主脅迫耐性的研究熱點(diǎn)之一［101］。研究表明，在Cd脅迫下，接種含ACC脫氨酶的根瘤菌不但能夠顯著提高豌豆（Pisum sativum）結(jié)瘤儲量、地上部生物量、共生固氮能力，而且能夠改善植株水分利用效率和促進(jìn)礦質(zhì)營養(yǎng)吸收，還能夠增強(qiáng)植株對Cd2+的吸收能力［79］。接種含ACC脫氨酶的邊緣假單胞菌（Pseudomonas marginalis）和紅球菌屬菌株（Rhodococcus sp.）能刺激宿主植物根系生長和養(yǎng)分吸收，由此改善Cd對植物生長的抑制效應(yīng)［102］。

4.4 促進(jìn)植物光合作用

過量重金屬會破壞植物葉片葉綠素和相關(guān)酶的生物合成，進(jìn)而抑制光合作用。接種具有重金屬耐性的促生細(xì)菌（包括根瘤菌、熒光假單胞菌和假單胞菌等）能夠顯著增加植株葉片光合速率、蒸騰速率及水分利用效率等氣體交換參數(shù)，從而改善宿主光合性能，并促進(jìn)其生長［103］。同時，接種菌根真菌能通過誘導(dǎo)植物光合相關(guān)蛋白的生物合成與表達(dá)，促進(jìn)植株光合作用并改善其生長。研究發(fā)現(xiàn)，接種AMF能夠誘導(dǎo)植物葉綠素合成蛋白表達(dá)，提高葉綠素中必需元素（如Mg、Fe）的攝取，從而促進(jìn)葉綠素生物合成［104-105］；接種卷邊網(wǎng)褶菌（Paxillus involutus）能夠顯著提高白楊（Populus canescens）體內(nèi)與蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換、脅迫反應(yīng)、碳水化合物代謝等相關(guān)的葉片蛋白豐度，促進(jìn)植株光合作用與生長長勢［106］。此外，菌根真菌還能夠提高宿主植物氣孔導(dǎo)度和光合相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平，從而促進(jìn)植物光合氣體交換能力和光合效率［107］。Wu等［108］發(fā)現(xiàn)，接種AMF能夠誘導(dǎo)蘆葦（Phragmites australis）體內(nèi)與光合電子傳遞相關(guān)的petH基因編碼，上調(diào)鐵氧還原蛋白-NADP+氧化還原酶表達(dá)，從而促進(jìn)光合電子傳遞，增強(qiáng)植株光合活性。

4.5 激活植物抗氧化防御系統(tǒng)

重金屬脅迫會誘導(dǎo)植物細(xì)胞活性氧（ROS）過量積累，從而擾亂植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除之間的動態(tài)平衡。因此，提高抗氧化防御系統(tǒng)活性是維持重金屬脅迫下植物體內(nèi)氧化還原狀態(tài)平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一［109］。接種根際有益微生物可以明顯提高植物體內(nèi)超氧化物氣化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、乙二醛酶 I（GlyI）、乙二醛酶II（GlyII）活性及谷胱甘肽含量，從而緩解ROS誘發(fā)的氧化損傷［110-111］。研究發(fā)現(xiàn)，植物可以上調(diào)GlyI、GlyII活性并協(xié)同GSH實現(xiàn)對胞內(nèi)甲基乙二醛的解毒作用［112］。Zhang等［111］發(fā)現(xiàn)，接種AM菌能夠通過下調(diào)蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）根內(nèi)MtRbohC-G的轉(zhuǎn)錄水平，降低NADPH氧化酶介導(dǎo)的H2O2積累，從而清除多余的ROS來維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)。同時，接種PGPR能夠調(diào)控宿主體內(nèi)不同抗氧化酶、應(yīng)激蛋白和乙烯編碼蛋白的基因表達(dá)以提高自由基清除劑水平，從而緩解脅迫對植物產(chǎn)生的傷害。Khanna等［113］發(fā)現(xiàn)，在Cd脅迫下，接種銅綠假單胞菌可以上調(diào)番茄SOD、POD和PPO基因表達(dá)量，并下調(diào)CAT、GR、GST、GPOX和APOX基因表達(dá)量，通過調(diào)節(jié)抗氧化防御蛋白表達(dá)來降低Cd誘導(dǎo)的番茄氧化應(yīng)激。

4.6 促進(jìn)植物水分與養(yǎng)分的吸收

菌根定殖后可形成發(fā)達(dá)的菌套和菌絲體，其可以顯著增加根系表面積，促進(jìn)根系對水分的吸收，從而緩解由非生物脅迫引起的生理性干旱。研究發(fā)現(xiàn)，接種外生菌根（Hebeloma crustuliniforme）能夠有效促進(jìn)顫楊（Populus tremuloides）幼苗胞間水分運(yùn)輸，使根系導(dǎo)水率顯著高于未接種植株［114］。同時，有益微生物可以釋放生長素（IAA）、細(xì)胞分裂素（CTK）及赤霉素（GA）等植物激素以溶解礦質(zhì)元素，并改善菌根定殖率和密度，從而提高宿主植物地上部對N、P及Fe等礦質(zhì)元素的吸收和利用［115］。此外，某些微生物體內(nèi)含有新輔酶吡咯喹啉醌基因（pqqABCDE），其參與葡萄糖脫氫酶（Gdh）輔助因子——吡咯并喹啉醌的生物合成過程，而Gdh蛋白能產(chǎn)生有機(jī)酸（葡萄糖酸）溶解無機(jī)磷酸鹽，為植物提供養(yǎng)分。研究表明，接種含該基因的促生菌能夠顯著提高宿主植物體內(nèi)P含量，促進(jìn)植株根系生長和生物量增加，從而改善其生長［116-117］。

4.7 改善根際土壤微環(huán)境

根際微生物是根際土壤物質(zhì)循環(huán)及轉(zhuǎn)換的主要驅(qū)動者。微生物在爭奪生態(tài)位及定殖過程中，通過轉(zhuǎn)化難溶有機(jī)質(zhì)、固氮、溶磷等方式，促進(jìn)土壤中N、P、C的循環(huán)，從而改善農(nóng)田土壤的養(yǎng)分環(huán)境［118］。根際有益微生物區(qū)組能夠極大程度地改良土壤質(zhì)量，包括土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、含水量、pH、土壤酶活性及微生物豐富度等。研究發(fā)現(xiàn)，微生物可以通過分泌胞外聚合物（EPS），改善土壤物理結(jié)構(gòu)并促進(jìn)土壤水分保持及傳導(dǎo)，甚至有些微生物可以將自身嵌入其中，從而在惡劣環(huán)境中生存［119-120］。劉暢等［121］發(fā)現(xiàn)，接種PGPR復(fù)合菌劑（假單胞菌屬Pseudomonas hunanensis，芽孢桿菌屬Bacillus flexus，束村氏屬Tsukamurella sp.，伯克霍爾德氏菌屬Burkholderia sp.）能夠有效增加根際土壤氮循環(huán)功能菌群、溶磷菌及解鉀菌的數(shù)量，并顯著提高土壤脲酶、過氧化氫酶和中性磷酸酶活性，促進(jìn)農(nóng)田土壤環(huán)境良性循環(huán)，從而緩解重金屬對植物的毒害作用。同時，根際微生物還可以通過改變土壤中重金屬化學(xué)形態(tài)，降低重金屬離子可交換性及生物利用性，從而間接地促進(jìn)作物生長。任曉斌等［122］發(fā)現(xiàn)，球形紅細(xì)菌（Rhodobacter sphaeroides）和生物炭的聯(lián)合使用能夠降低土壤中可交換態(tài)Cr含量，增加殘渣態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)Cr含量，從而促進(jìn)Cr污染土壤的植物修復(fù)。

5 總結(jié)與展望

土壤-植物-微生物是一個緊密聯(lián)合的生物網(wǎng)絡(luò)，微生物群落、植物根系和土壤環(huán)境之間發(fā)生的各種生理生化反應(yīng)可以促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)中能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信號傳遞的順利進(jìn)行，從而使其在植物修復(fù)中具備巨大潛力［27］。在逆境脅迫下，植物根系-微生物通過釋放相關(guān)信號相互作用，促使根際微生物組重塑，從而改善土壤生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)宿主植物生長并增強(qiáng)其脅迫耐性，為土壤-植物-微生物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建良好的生態(tài)平衡。

根際有益微生物促進(jìn)植物根系分泌物釋放、水分與養(yǎng)分吸收、葉片光合作用，清除細(xì)胞ROS、抑制乙烯生物合成和改善根際土壤微環(huán)境，從而緩解重金屬植物脅迫。今后可針對根際微生物緩解植物重金屬脅迫的研究繼續(xù)開展以下研究：

（1）目前，有關(guān)微生物增強(qiáng)植物重金屬脅迫耐性的研究多集中于芽孢桿菌屬（Bacillus）、鏈霉菌屬假單胞菌類（Streptomyces pseudomonas）、寡養(yǎng)單胞菌屬（Stenotrophomonas）、沙雷氏菌屬（Serratia）、球囊霉屬（Glomus）及根生囊霉屬（Rhizophagus）等菌株［123-124］。微生物組作為植物的第二基因組，其復(fù)雜程度不亞于植物體基因，故今后可以從不同重金屬污染地區(qū)分離、篩選和培養(yǎng)新菌株，進(jìn)一步挖掘在逆境脅迫下對植物生長有益的新菌種。

（2）有關(guān)微生物緩解植物重金屬脅迫的多數(shù)研究為控制實驗，注重某一類微生物對單一重金屬脅迫下植物生長及其脅迫耐性的改善［57，65，67，70］，這與野外自然環(huán)境之間存在較大差別，忽略了不同微生物之間的相互作用。因此，今后可以通過礦區(qū)廢棄地復(fù)綠、濕地重金屬污染污染物修復(fù)等實踐考察根際微生物間相互作用及其對宿主植物逆境耐性的影響，并篩選出較優(yōu)的植物-微生物組合。

（3）根際微生物是重金屬與植物接觸的第一道防線，在增強(qiáng)植物重金屬脅迫耐性中發(fā)揮了重要作用。Smith［125］認(rèn)為，與植物育種和遺傳改良方法相比，基于微生物的植物生物技術(shù)在改善植物非生物脅迫耐性中具有成本低、時間短和效率高等特點(diǎn)。以往研究多關(guān)注某一類微生物改善植物重金屬脅迫耐性機(jī)制，忽略了重金屬脅迫下根際微生物與植物如何協(xié)同增強(qiáng)植物逆境耐性的相關(guān)機(jī)制。因此，有必要明確重金屬脅迫下植物根系-微生物互作體系的生理分子機(jī)制，從而為該互作體系在重金屬污染環(huán)境中的實際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。