金屬抗性促生細(xì)菌Burkholderia sp．減緩玉米幼苗鎘毒害和阻抗鎘轉(zhuǎn)運(yùn)

關(guān)鍵詞：金屬抗性促生細(xì)菌；玉米；鎘；轉(zhuǎn)運(yùn)基因；生理特性

20世紀(jì)以來，由于農(nóng)藥、化肥過度施用、工業(yè)廢水排放以及礦山開采，我國(guó)土壤鎘等重金屬污染問題日益嚴(yán)重。土壤中鎘等重金屬含量過高會(huì)抑制種子的萌發(fā)，降低植物光合效率，導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過氧化，抑制呼吸作用，形成氧化脅迫，甚至導(dǎo)致植物死亡。而在重金屬鎘污染地區(qū)種植農(nóng)作物會(huì)導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品中鎘含量超過《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762-2022）規(guī)定的限量值，增加消費(fèi)者對(duì)重金屬鎘的攝入量，嚴(yán)重威脅人類的身體健康。

重金屬抗性促生細(xì)菌是一類通過自身的響應(yīng)機(jī)制能在重金屬脅迫下穩(wěn)定生長(zhǎng)且促進(jìn)植物生長(zhǎng)的細(xì)菌。研究發(fā)現(xiàn)，重金屬抗性促生細(xì)菌能通過產(chǎn)生吲哚乙酸和鐵載體、溶磷和固氮等多種機(jī)制直接或間接促進(jìn)植物生長(zhǎng)，通過氧化還原、胞內(nèi)轉(zhuǎn)化與積累、胞外整合與沉淀作用等降低環(huán)境中重金屬的有效性，并可以調(diào)控植物對(duì)重金屬的吸收和積累。已有研究表明，在重金屬污染環(huán)境中，接種重金屬抗性促生細(xì)菌可以有效促進(jìn)小麥、水稻、大豆等作物生長(zhǎng)，提高作物對(duì)鎘的耐受能力，降低根際重金屬有效性，減少作物對(duì)鎘的吸收。目前報(bào)道的阻控重金屬吸收的促生細(xì)菌主要為Bacillus和Pseudomona.s屬的菌株，此外還有Enterobacter、BradVrhizobium等屬菌株。玉米作為第三大糧食作物，具有生物量大，生長(zhǎng)周期短，適應(yīng)性強(qiáng)，可食用、飼用和作為工業(yè)加工原材料的眾多特點(diǎn)。在我國(guó)人均耕地資源有限的情況下，利用中輕度污染土壤生產(chǎn)安全可靠的農(nóng)產(chǎn)品是一種切實(shí)可行的措施。然而礦區(qū)周邊農(nóng)田及地質(zhì)高背景區(qū)玉米生長(zhǎng)受鎘毒害，且籽粒中鎘含量超標(biāo)現(xiàn)象已引起研究者關(guān)注。目前，一些生物措施已被用來降低鎘污染環(huán)境下玉米籽粒重金屬含量。例如，Wang等在砂培和土培環(huán)境下接種具有吸附固定鎘能力的Bacilluscereus使玉米籽粒鎘含量分別降低10.6%～39.9%和17.4%～38.6%。Moreira等分別接種促生細(xì)菌Ral-stonia eutropha和Chryseobacterium humi增加了玉米生物量和根部鎘的吸收，降低了玉米地上部鎘含量。接種Acinetobacter sp．和Serratia sp．提高了玉米的光合色素含量和抗氧化酶活性，減少過氧化氫和丙二醛的產(chǎn)生，降低根部和地上部鎘含量，減輕了鎘對(duì)玉米的毒害作用。重金屬抗性促生細(xì)菌與玉米的相互作用，可以促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)，降低重金屬在植物體內(nèi)的積累，對(duì)于保障玉米等作物安全生產(chǎn)具有重要意義。

重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)水平可影響植物對(duì)環(huán)境中重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。重金屬ATP酶（HMA.s）對(duì)鎘具有底物特異性，其中HMA2和HMA3在鎘從根到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)和固存過程中發(fā)揮著重要作用。在水稻中，O.sHMA2定位于細(xì)胞膜，負(fù)責(zé)鎘從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，O.sHMA2的敲除或沉默顯著減少了鎘和鋅在水稻葉片中的積累。在玉米基因組中鑒定出ZmHMA基因家族的12個(gè)成員，并根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能特性將其分為6個(gè)簇，其中ZmHMA2和ZmHMA3定位于細(xì)胞質(zhì)膜，是控制不同鎘條件下玉米葉片中鎘積累的候選基因。O.sHMA3參與將鎘螯合到水稻根液泡中，限制地上部鎘積累。ZmHMA3被證實(shí)與玉米籽粒鎘積累有關(guān)。自然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白（Nramp）家族是跨膜蛋白，也參與重金屬鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)。O.sNramp5是水稻中重要的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，水稻中0.5N-ramp5的基因敲除導(dǎo)致根和地上部鎘含量比野生型植株顯著降低。Nramp5同源物的表達(dá)水平和轉(zhuǎn)運(yùn)活性在水稻、小麥和玉米中有所不同。O.sNramp5在水稻中的表達(dá)水平是TaNramp5A和TaNramp5D在小麥中或ZmNramp5在玉米中的4～5倍，這可能是水稻比小麥和玉米能積累更高鎘的主要原因。已有部分研究表明，植物根際微生物會(huì)產(chǎn)生信號(hào)分子，上調(diào)或下調(diào)植物中金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)。有研究顯示對(duì)玉米施加Achromobacter sp．后HMA3和Nramp5在根和地上部的表達(dá)水平均顯著降低，對(duì)小麥?zhǔn)┘覲seudomona.s taLwanensis WRS8使得小麥根系HMA2表達(dá)水平顯著下調(diào)，表明菌株可以通過調(diào)控鎘轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)來阻控植物對(duì)鎘的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，從而減緩作物受鎘的毒害作用。

到目前為止，金屬抗性促生細(xì)菌對(duì)阻控作物吸收重金屬的效果已取得一定進(jìn)展，但不同微生物菌種與不同作物間的互作方式和效果不同，關(guān)于微生物對(duì)緩解植物重金屬毒害的生理及分子機(jī)制尚需深入研究。Burkholderia是常見的植物根際促生菌屬，具有較大的遺傳和代謝多樣性，展現(xiàn)出促進(jìn)植物生長(zhǎng)和調(diào)節(jié)番茄、黑麥草、大豆吸收積累重金屬的能力。有研究表明，Burkholderia sp．可以改變水稻根際土壤中微量營(yíng)養(yǎng)元素和鎘的生物有效性，增加必需營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，降低鎘在水稻中的積累。關(guān)于Burkholderia屬細(xì)菌減緩玉米受鎘毒害及阻控鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的生理及分子機(jī)制鮮見報(bào)道。為探明Burkholderia屬金屬抗性促生細(xì)菌對(duì)減緩玉米鎘毒害和阻抗鎘轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，本研究采用砂培試驗(yàn)探究不同鎘濃度下接種鎘抗性促生細(xì)菌Burkholderia sp．對(duì)玉米生長(zhǎng)、生理特性、鎘吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)等的影響，旨在為微生物-作物聯(lián)合作用降低玉米受鎘毒害作用提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

LB液體培養(yǎng)基：氯化鈉10.0g，酵母粉5.0g，蛋白胨10.0g，pH7.2，蒸餾水1000mL。

有氮液體培養(yǎng)基：蔗糖10.0g，硫酸銨1.0g，磷酸氫二鉀2.0g，七水硫酸鎂0.5g，氯化鈉0.1g，酵母膏0.5g，碳酸鈣0.5g，pH7.2，蒸餾水1000mL。

供試玉米品種為隆平206，購(gòu)自安徽隆平高科種業(yè)有限公司；供試菌株為本實(shí)驗(yàn)室從生長(zhǎng)于污染土壤的玉米根際分離篩選的鎘抗性促生細(xì)菌，編號(hào)為YM3，經(jīng)16S rDNA序列分析鑒定為BurkhoLderiasp，NCBI序列號(hào)為MK355632。

1.2方法

1.2.1菌株鎘耐受性及促生特性

配制含鎘離子（CdC12.2.5H20）濃度為0、50、100mg·L-1的LB液體培養(yǎng)基。將種子液接種于含鎘的LB液體培養(yǎng)基，28℃，160r·min-1，搖床振蕩培養(yǎng)，培養(yǎng)期間取樣測(cè)定菌液OD600nm以研究菌株對(duì)鎘的耐受性。

產(chǎn)IAA能力測(cè)定參考Gordon等的方法，并做一定修改。將菌株接種于含鎘（CdC12·2.5H20）濃度為0、50、100mg·L-1，色氨酸濃度為0.5mg·mL-1的有氮培養(yǎng)基中，28℃，150r·min-1搖床振蕩培養(yǎng)24h和48h，離心取上清，加入50uL10mmol·L-1的正磷酸和2mL的Sackowski's顯色劑，混勻后于30℃黑暗避光顯色30min后，于530nm處測(cè)定吸光值。

1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用水培試驗(yàn)種植玉米，以石英砂作為固體基質(zhì)，將石英砂用稀HN03處理并用自來水及蒸餾水多次沖洗后，定量分裝于一次性塑料杯中，每杯加入135mL Hoagland營(yíng)養(yǎng)液以及定量鎘母液，依據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)中玉米苗生長(zhǎng)狀況，使鎘濃度分別達(dá)到8mg·L-1和12mg· L-1。試驗(yàn)設(shè)置不同鎘濃度（0、8mg·L-1和12mg·L-1）、接種及不接種Burkholderia sp．YM3處理，每個(gè)鎘濃度分為不接菌對(duì)照組和接菌處理組，共6個(gè)處理，分別為OCK、OYM3、8CK、8YM3、12CK、12YM3，每個(gè)處理設(shè)4個(gè)重復(fù)。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取顆粒飽滿、大小均勻的玉米種子2粒，經(jīng)催芽和菌懸液（1×10CFU·mL-1）浸種處理后，種于杯中，并接種菌株YM3菌懸液（1X108 CFU·mL-1）5mL。以無(wú)菌水處理作為對(duì)照，植物放置于人工氣候培養(yǎng)室內(nèi)（培養(yǎng)室條件26℃/18℃，白天／晚上；12h/12h，光照／黑暗，相對(duì)濕度68%～75%）培養(yǎng)。每2～3d定期補(bǔ)充無(wú)鎘Hoa-gland營(yíng)養(yǎng)液，20d后收獲植物樣品。

1.3測(cè)定方法

1.3.1生物量的測(cè)定

收獲的植物樣品，直尺測(cè)量株高（莖基部到葉尖）和根長(zhǎng)（莖基部到根尖）。樣品經(jīng)去離子水沖洗干凈后，先105℃殺青30min，再65℃烘干至質(zhì)量恒定并稱量干質(zhì)量。

1.3.2生理指標(biāo)測(cè)定

選取相同部位的實(shí)驗(yàn)材料參照相關(guān)實(shí)驗(yàn)書籍進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定，并基于鮮質(zhì)量進(jìn)行結(jié)果計(jì)算。葉片丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法測(cè)定。脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測(cè)定波長(zhǎng)520nm下吸光值計(jì)算脯氨酸濃度。葉片葉綠素含量測(cè)定采用乙醇一丙酮混合液（1：1，v/v）浸泡后，分光光度法測(cè)定波長(zhǎng)663、645nm和652nm下吸光度，根據(jù)Arnon方法計(jì)算葉綠素含量。植物根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TCC）法測(cè)定485nm下吸光度，求出四氮唑還原量。

1.3.3鎘含量的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取0.15g烘干磨碎后的玉米組織于消煮管中，經(jīng)HN03：HC104（優(yōu)級(jí)純，V：V=87：13）混合酸液浸泡，于XT-9916微波消解儀消解后，用原子分光光度計(jì)測(cè)定鎘含量。

1.4數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均用Excel 2010版、SPSS 17.0版進(jìn)行處理和分析。采用SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）、雙因素方差分析（Two-wav ANOVA），新復(fù)極差法（Duncan法）進(jìn)行多重比較分析（Plt;0.05），利用Excel 2010作圖。采用Origin 2021軟件對(duì)玉米幼苗各指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析并作圖。

2結(jié)果與分析

2.1鎘耐受性及促生特性

菌株YM3對(duì)鎘耐受性及促生特性如圖1所示。隨培養(yǎng)液中鎘濃度的升高，菌株YM3的長(zhǎng)勢(shì)逐漸變?nèi)?，主要生長(zhǎng)勢(shì)表現(xiàn)為鎘0處理gt;鎘50mg·L-1處理gt;鎘100mg·L-1處理。當(dāng)鎘濃度為100mg·L-1時(shí)，菌株YM3在0～4h出現(xiàn)遲緩期?？傮w而言，鎘對(duì)菌株YM3生長(zhǎng)表現(xiàn)微弱抑制作用，但在高濃度鎘環(huán)境中（鎘50mg·L-1和100mg·L-1）菌株仍能正常生長(zhǎng)，表明菌株YM3具有較強(qiáng)的鎘耐受性。在培養(yǎng)液中含鎘或無(wú)鎘時(shí)，菌株均能產(chǎn)生IAA。當(dāng)培養(yǎng)液中鎘濃度為0mg·L-1時(shí)，隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)菌株產(chǎn)IAA能力逐漸增強(qiáng)。在培養(yǎng)液中鎘濃度為50、100mg·L-1時(shí)，菌株在培養(yǎng)24h時(shí)即可高量產(chǎn)生IAA，且隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，IAA產(chǎn)量沒有顯著變化。在相同培養(yǎng)時(shí)間段內(nèi)，鎘的添加能刺激菌株產(chǎn)生更多IAA。

2.2玉米的生物量

接種菌株YM3對(duì)玉米苗株高、根長(zhǎng)、干質(zhì)量生物量的影響如表1所示。接種菌株YM3可以促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，且在重金屬污染環(huán)境下對(duì)玉米生物量的促進(jìn)作用更加顯著。當(dāng)沒有鎘脅迫時(shí)，接種菌株對(duì)地下部促生作用更明顯，使根系干質(zhì)量顯著增加23.08%；而在鎘脅迫時(shí)，接種菌株能顯著促進(jìn)玉米地上部和地下部生物量。當(dāng)鎘濃度為8mg·L-1時(shí)，根、莖、葉干質(zhì)量比對(duì)照分別增加9.09%、63.33%、48.50%；鎘濃度為12mg·L-1時(shí)，根、莖、葉干質(zhì)量分別增加40.00%、84.41%、67.48%。雙因素分析結(jié)果表明，接菌和不同鎘濃度處理對(duì)玉米株高、莖干質(zhì)量和葉干質(zhì)量有極顯著影響，且兩者存在交互作用，接菌和不同鎘濃度處理對(duì)玉米根干質(zhì)量有極顯著影響，但兩者不存在交互作用。

2.3玉米葉片丙二醛和游離脯氨酸的含量

如圖2（a）所示，未接菌處理組中，隨著培養(yǎng)基質(zhì)中鎘濃度的增加，玉米葉片中MDA含量逐漸增加，其中鎘8mg·L-1和鎘12mg·L-1處理分別是鎘0mg·L-1處理的1.29倍和1.51倍。而接菌處理組，MDA增加量在逐漸減小，直至不再增加，當(dāng)鎘濃度為0mg·L-1和8mg·L-1時(shí)，分別比相應(yīng)對(duì)照OCK和8CK增加54.16%和31.80%，而當(dāng)鎘濃度為12mg·L-1時(shí)，MDA含量比相應(yīng)對(duì)照12CK減少26.37%，說明在高濃度鎘脅迫下，接種菌株有助于緩解鎘對(duì)植物的傷害。如圖2（b）所示，隨著培養(yǎng)基質(zhì)中鎘濃度增加，未接菌組中玉米葉片脯氨酸含量逐漸增高。與對(duì)照相比，接菌處理使脯氨酸含量出現(xiàn)不同程度的降低。當(dāng)鎘濃度為0、8mg·L-1時(shí)，接種菌株YM3使玉米葉片脯氨酸含量有一定程度減少，分別比相應(yīng)對(duì)照OCK和8CK減少了3.04%和7.87%，而在12mg·L-1鎘脅迫下，脯氨酸含量比相應(yīng)對(duì)照12CK顯著降低了21.82%。

2.4玉米葉片葉綠素的含量

如圖3所示，隨著培養(yǎng)基質(zhì)中鎘濃度增加，未接菌組中玉米葉片葉綠素含量逐漸降低，表明玉米受到鎘的毒害作用。在無(wú)鎘脅迫環(huán)境下，接種菌株YM3使葉綠素含量略有增加，而在鎘脅迫環(huán)境下，接種菌株YM3可以顯著增加葉綠素含量，其中葉綠素a增加量為27.06%～46.32%，葉綠素b增加量為27.60%-68.82%，葉綠素總量增加量為29.70%～53.17%，且當(dāng)鎘濃度為8mg·L-1時(shí)，菌株YM3促進(jìn)玉米葉綠素合成的作用更加顯著。

2.5玉米的根系活力

如圖4所示，隨著培養(yǎng)基質(zhì)中鎘濃度增加，未接菌處理中玉米根系活力逐漸減弱，表明玉米根系受到鎘的毒害作用。接種菌株YM3可以有效提高玉米根系活力，在沒有鎘脅迫時(shí)，促進(jìn)效果最顯著，比相應(yīng)對(duì)照OCK增加了16.93%；在鎘脅迫時(shí)，接菌處理也增強(qiáng)了根系活力，其中鎘8mg·L-1和12mg·L-1時(shí)，接菌比相應(yīng)對(duì)照8CK和12CK分別增加了7.40%和12.64%。

2.6玉米的鎘含量及鎘轉(zhuǎn)運(yùn)

如圖5所示，接種菌株YM3顯著增加玉米根部鎘含量，8mg·L-1和12mg·L-1鎘處理下其增加量分別為8.19%和50.00%。然而接種菌株YM3卻使玉米莖和葉鎘含量顯著降低，其中當(dāng)鎘濃度為8mg·L-1時(shí)，鎘含量分別減少13.64%和20.29%，當(dāng)鎘濃度為12mg·L-1時(shí)，其分別減少41.84%和17.85%。接種菌株YM3也顯著降低了玉米中鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)。接種的玉米根一莖轉(zhuǎn)移系數(shù)在鎘濃度為8mg·L-1和12mg·L-1時(shí)，分別比相應(yīng)對(duì)照減少20.16%和60.90%，而根一葉轉(zhuǎn)移系數(shù)分別比對(duì)照減少26.16%和45.31%。

2.7轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因在玉米中的相對(duì)表達(dá)

對(duì)玉米根部和葉部進(jìn)行鎘轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)量的測(cè)定，結(jié)果如圖6所示，除玉米葉Nramp5外，鎘脅迫使未接菌處理組玉米HMA2、HMA3和Nramp5表達(dá)量呈下調(diào)趨勢(shì)。與未接菌對(duì)照相比，接菌處理使0、8mg·L-1鎘處理玉米根中HMA2和Nramp5表達(dá)量顯著下調(diào)了24.18%～61.96%，而葉中HMA2和Nramp5在鎘8、12mg·L-1處理下顯著下調(diào)23.58%～44.18%。接種細(xì)菌使0mg·L-1鎘處理葉中HMA2表達(dá)量顯著上調(diào)，可能是HMA2還與植物中鋅等其他微量營(yíng)養(yǎng)元素吸收有關(guān)。與未接菌對(duì)照相比，接菌玉米根中HMA3隨著鎘濃度的增加表達(dá)量顯著下調(diào)，下調(diào)幅度為18.00%～58.80%，接菌玉米葉在鎘0、8mg·L-1處理下HMA3表達(dá)量微弱上調(diào)，上調(diào)幅度為7.28%～23.83%，而在12mg·L-1鎘處理下HMA3表達(dá)量顯著下調(diào)，而根中HMA3在0、8mg·L-1時(shí)均顯著下調(diào)，12mg·L-1時(shí)下降不顯著。

2.8相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果如圖7所示。生物量各指標(biāo)之間存在一定正相關(guān)性，比如株高與莖干質(zhì)量和葉干質(zhì)量存在極顯著相關(guān)性，而根莖干質(zhì)量與葉干質(zhì)量也存在顯著或極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.64和0.97；植物生理特性與生物量之間主要表現(xiàn)為葉綠素含量與株高，地上部干質(zhì)量（莖葉）呈極顯著正相關(guān)，脯氨酸與株高和根部及地上部干質(zhì)量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，并與地上部鎘含量呈顯著正相關(guān)；根系活力與生物量呈正相關(guān)，其中與株高呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.63；此外根系活力還與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)。鎘含量與生物量之間也表現(xiàn)出一定相關(guān)性，除根鎘含量與生物量存在正相關(guān)外，莖部和葉部鎘含量主要與生物量存在負(fù)相關(guān)性，其中莖部鎘含量與根干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、葉干質(zhì)量表現(xiàn)極顯著或顯著相關(guān)性，葉部鎘含量與株高、莖部和葉部干質(zhì)量均表現(xiàn)極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)可達(dá)-0.87～-0.95；此外，地上部鎘含量（莖葉）還與葉部脯氨酸含量呈顯著正相關(guān)性。根鎘與莖鎘和葉鎘含量分別呈極顯著和顯著負(fù)相關(guān)性，與絕大多數(shù)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，其中與葉部HMA2呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.68。莖鎘含量與葉鎘含量呈正相關(guān)，與葉HMA2和HMA3呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.84和0.80。葉鎘含量主要與金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)呈正相關(guān)，其中與根HMA2呈顯著正相關(guān)，與根HMA3和葉Nramp5呈極顯著正相關(guān)。

3討論

重金屬抗性促生細(xì)菌通過產(chǎn)生促生長(zhǎng)物質(zhì)等機(jī)制能在重金屬脅迫環(huán)境中促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。本研究發(fā)現(xiàn)，Burkholderia sp．YM3能顯著促進(jìn)玉米地上部和地下部干質(zhì)量的增加，并增強(qiáng)玉米根系活力，有利于玉米的生長(zhǎng)。這可能與該菌株產(chǎn)生的促生長(zhǎng)物質(zhì)吲哚乙酸有關(guān)。吲哚乙酸是常見的植物生長(zhǎng)素，可通過影響植物細(xì)胞分裂、細(xì)胞伸長(zhǎng)和分化來促進(jìn)根系發(fā)育及植物生長(zhǎng)。本研究中發(fā)現(xiàn)，菌株Burlcholde-ria sp．YM3在鎘脅迫環(huán)境下能產(chǎn)生更多的促生長(zhǎng)物質(zhì)吲哚乙酸，它的合成參與了植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程及其防御策略，這有利于增強(qiáng)菌株在脅迫環(huán)境下發(fā)揮促生作用。植物根系對(duì)植物生長(zhǎng)具有重要作用，植物根系不僅與水分、無(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收有關(guān)，還與多種有機(jī)物的合成、儲(chǔ)藏和轉(zhuǎn)化相關(guān)，根系活力的強(qiáng)弱代表著植物根系吸收與合成的能力，植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量的形成都受根系活力的制約。接種菌株通過促進(jìn)根系活力，能增強(qiáng)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

重金屬鎘是植物生長(zhǎng)的非必需元素，重金屬脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉綠體結(jié)構(gòu)遭到破壞，抑制植物的光合作用。本試驗(yàn)中鎘脅迫使玉米葉綠素含量降低，但接種菌株可以顯著提高玉米葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量，且在鎘濃度為8mg·L-1時(shí)效果最為顯著，說明接種菌株YM3顯著促進(jìn)了玉米葉綠素的合成，提高了玉米的光合作用，這與宋蘭萍等研究結(jié)果一致。丙二醛含量是植物細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度的重要體現(xiàn)，重金屬脅迫下丙二醛含量增多，使植物膜脂過氧化損傷。脯氨酸是一種重要的植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，通常植物會(huì)在脅迫環(huán)境下積累一定量的游離脯氨酸來調(diào)節(jié)植物的受損傷程度，脯氨酸含量也在一定程度上反映了植物受脅迫程度。Wang等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下接種鞘氨醇單胞菌Sphingomona.s Sa MR12可以顯著降低油菜中游離脯氨酸含量。Rizvi等研究發(fā)現(xiàn)，在鎘脅迫下小麥接種假單胞菌CPSB1能夠顯著降低小麥脯氨酸和丙二醛水平，提高小麥對(duì)鎘的耐受性。本試驗(yàn)接種菌株YM3后，在低鎘環(huán)境下與對(duì)照相比可以顯著降低丙二醛的增加量，且在鎘濃度較高時(shí)，可以明顯比對(duì)照降低26.37%，表明菌株緩解了鎘對(duì)玉米的膜質(zhì)過氧化程度。接種菌株YM3導(dǎo)致游離脯氨酸含量的下降，也反映出玉米沒有受到嚴(yán)重的鎘脅迫。玉米葉綠素合成的增加、游離脯氨酸和丙二醛含量的降低，表明接種菌株YM3可以提高玉米抵抗重金屬的脅迫能力，減少玉米細(xì)胞因重金屬而產(chǎn)生的損傷。

根是植物從環(huán)境中吸收重金屬鎘的主要器官，鎘通過植物根從地下部向地上部逐漸轉(zhuǎn)運(yùn)。根際微生物能與植物互作，可通過調(diào)控金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)來阻控植物對(duì)重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)。本試驗(yàn)在鎘脅迫環(huán)境下，接種菌株YM3導(dǎo)致玉米根部鎬含量增加了8.19%～50.00%，但接種的玉米莖和葉鎘含量顯著降低，并且接種的玉米中轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（根一莖和根一葉）均顯著低于未接種的對(duì)照組，這些結(jié)果表明該菌株的接種一方面可能通過促進(jìn)根系生長(zhǎng)促進(jìn)了根部對(duì)鎘吸收，另一方面主要通過將鎘阻留在根部，減少鎘從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，這與Ahmad等研究發(fā)現(xiàn)菌株Kleb.siella sp．CIK-518和Leifsonia sp．CIK-521與玉米的作用結(jié)果相一致。在重金屬脅迫下，植物體內(nèi)與重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)量的改變是調(diào)節(jié)重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)和響應(yīng)重金屬脅迫的常見機(jī)制之一。HMA2、HMA3和Nramp5定位于玉米細(xì)胞質(zhì)膜，被證實(shí)是與重金屬運(yùn)輸呈正相關(guān)的重要轉(zhuǎn)運(yùn)基因，它們的表達(dá)可以調(diào)節(jié)植物中重金屬?gòu)母降厣辖M織的運(yùn)輸。有研究表明當(dāng)HMA2、NRAMP5和HMA3被沉默或表達(dá)下調(diào)時(shí)，植物地上部分鎘含量顯著降低。本試驗(yàn)中，基因表達(dá)隨植物生長(zhǎng)環(huán)境中鎘濃度變化的現(xiàn)象表明，HMA2、HMA3和Nramp5這三種基因與玉米植株體內(nèi)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。接種菌株Burkholderiasp．YM3在一定鎘濃度環(huán)境下通過降低玉米根部HMA2、HMA3和Nramp5三種基因的表達(dá)，阻控鎘從根向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，降低了地上部鎘含量，這與Cheng等及Chen等報(bào)道的硼和硅的聯(lián)合施用，下調(diào)了水稻O.sHMA2、O.sHMA3和OsNramp5表達(dá)，降低了水稻中鎘的積累和毒性的研究結(jié)果一致。本研究中，玉米苗根部鎘含量與地上部鎘含量以及絕大多數(shù)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，而葉部鎘含量主要與金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)呈正相關(guān)，其中與根HMA2和根HMA3呈顯著正相關(guān)。這些結(jié)果進(jìn)一步表明，Burkholderia sp．YM3菌株接種主要通過下調(diào)HMA2、HMA3和NRAMP5表達(dá)量，阻控鎘從根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)。研究還發(fā)現(xiàn)，菌株對(duì)重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平的表達(dá)調(diào)控受鎘濃度及組織部位影響，低濃度鎘環(huán)境下，菌株主要調(diào)控根部金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)，高濃度鎘環(huán)境下，菌株主要調(diào)控地上部金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)，這可能是由于根部高濃度鎘處理限制了菌株與植物根的相互作用，減弱了菌株對(duì)根部基因的調(diào)控作用。近年來關(guān)于玉米重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因的研究逐漸受到關(guān)注，但大多數(shù)基因在玉米中的調(diào)控機(jī)制尚不明確，不同的微生物菌種、玉米品種、重金屬種類及濃度等，對(duì)緩解玉米重金屬毒害及調(diào)節(jié)玉米重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因可能都存在一定影響，需進(jìn)一步深入研究。

4結(jié)論

（1）鎘對(duì)玉米有毒害作用，鎘脅迫能顯著降低玉米幼苗地上部和地下部生物量，增加葉片丙二醛和脯氨酸含量，降低根系活力和葉片葉綠素含量。

（2）接種Burkholderia sp．YM3可從生長(zhǎng)及生理方面減緩玉米受鎘毒害程度。在不同鎘濃度條件下接種菌株YM3，可以有效增加玉米生物量，提高玉米根系活力，促進(jìn)玉米苗生長(zhǎng)；增加玉米總?cè)~綠素含量，有效緩解重金屬鎘對(duì)玉米光合作用的抑制；同時(shí)菌株還能使脯氨酸和丙二醛的含量降低，有效提高了玉米抵抗重金屬脅迫的能力，降低玉米細(xì)胞受損傷程度。

（3）接種菌株YM3能調(diào)控玉米苗中HMA2、HMA3和NRAMP5的表達(dá)，來阻控玉米苗對(duì)鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，但這種調(diào)控受鎘濃度和植物組織的影響。