第一作者：陳佳偉張軒

通訊作者：朱詠華

作者單位：2003网站太阳集团；湖南省林業科學院

圖片摘要

成果簡介

最近，環境領域著名期刊Journal of hazardous materials發表了2003网站太阳集团和湖南省林業科學院的最新合作研究成果“EndophyticEnterobactersp. YG-14 mediated arsenic mobilization through siderophore and its role in enhancing phytostabilization”。研究通過構建YG-14鐵載體—腸杆菌素合成基因缺失突變體（ΔentD），證實内生菌通過分泌鐵載體有效促進了礦物土壤中鐵砷絡合物的活化，釋放可被生物利用的鐵和砷到根際中，進一步通過胞外聚合物和特定的磷酸酶轉移蛋白PitA吸附和吸收環境中的砷，最終通過定殖的方式将環境中的砷固定在修複植物根部，實現土壤砷污染植物根部固定修複。研究從表型、生理生化和分子水平揭示了内生菌在促進修複植物固定砷和維持宿主植物生長中的重要作用。

引言

砷作為高度緻癌的類金屬元素，被國際癌症研究中心（IARC）正式列為I類緻癌物。有色金屬礦的開采和冶煉是全世界砷污染的主要來源之一，占全球砷總排放量的24.04%，極大地威脅着人類健康乃至生态系統安全，引發了全球性關注。然而，與镉、鉛和鋅等金屬陽離子不同，砷常以膠體形态被鐵、鋁或錳的氧化物固定在土壤中，尤其我國南方紅壤具有富鐵鋁的特性，導緻砷成為難以被修複植物直接吸收的固定态砷，極大削弱了植物修複的有效性。因此，本研究利用了一種細菌分泌的鐵載體解吸土壤中的砷，進而增強植物對砷的根部固定能力。目前，從分子水平揭示内生菌次生代謝産物作用于土壤重金屬修複的研究還十分有限。本研究以鐵載體為切入點，通過全面揭示内生細菌在促進植物根部固定砷和維持宿主植物生長中的作用，為利用内生菌次數代謝産物創新重金屬修複方法提供了綠色高效的新策略。

圖文導讀

植物内生腸杆菌Enterobacter sp.YG-14的砷耐受能力及其砷活化能力

本研究利用從礦區重金屬耐性植物體中分離出的一種具有多種重金屬吸附能力的腸杆菌（Enterobacter sp.YG-14）（授權專利ZL201810719544.1），通過菌株生理生化特征和土壤接種實驗發現YG-14具有很好的砷酸鹽和亞砷酸鹽耐受能力。液體發酵實驗發現YG-14能夠很好的吸附和吸收環境中遊離的砷酸根離子，其在120mg/L的砷酸鹽脅迫時對于砷酸根的吸附和吸收量分别達到156.09和33.02mg/kg。為進一步研究YG-14對南方紅壤中砷鐵化合物的影響，我們通過土壤接種實驗發現YG-14能夠顯著提高土壤中遊離态砷和鐵的含量。

圖1. A-B.YG-14對砷酸鹽和亞砷酸鹽的耐受能力；C-D.不同砷濃度下YG-14對環境中砷酸鹽的吸附和吸收能力；E.120mg/L砷酸鹽環境下YG-14的pitA基因的表達量;F-I.不同砷酸鹽濃度下YG-14對南方紅壤中砷的活化能力。

enterobactin對于土壤中砷鐵化合物的影響

生物信息學預測和質譜鑒定結果表明YG-14可以分泌異羟肟酸類鐵載體aerobactin和兒茶酚類鐵載體enterobactin。其中，YG-14的enterobactin産量為0.322 g/L。進一步使用Red/ET技術得到了enterobactin合成能力缺乏型菌株ΔentD。

圖2. A-D. YG-14和ΔentD對水溶态砷、可交換态砷、非晶體的鐵鋁結合态砷以及遊離氧化鐵的影響；E. YG-14和ΔentD在土壤中entD基因的表達量；F. YG-14和ΔentD在土壤中tolC基因的表達量；G. YG-14和ΔentD在土壤中fepA基因的表達量；H. YG-14和ΔentD在土壤中pitA基因的表達量。

土壤接種實驗證實，缺失enterobactin合成能力後，YG-14對土壤中砷和鐵的活化能力下降，且enterobactin主要活化非晶體的鐵鋁結合态砷，對于更加穩定的晶體的鐵鋁結合态砷和殘餘态的砷影響不明顯。RT-qPCR基因表達量測定發現ΔentD中，尤其是enterobactin的特異性受體(fepA)和砷吸收相關基因(pitA)表達下調，進一步說明了ΔentD難以活化鐵砷化合物。

enterobactin植物根部固定砷的影響

通過盆栽實驗進一步探究了由enteriobactin活化的砷和鐵如何固定在植物體中的。實驗結果表明刺槐根部的砷和鐵的含量随着YG-14在刺槐根部的定殖量水平提高而增加，提示刺槐根部的砷固定能力可能與YG-14的定殖有關。此外，通過将YG-14和ΔentD接種于刺槐根部的對比研發發現，enterobactin的分泌也與砷的植物固定存在正相關關系。

圖3. A.培養60天後接種了YG-14或者ΔentD的刺槐生長情況；B-C.接種YG-14或者

ΔentD的刺槐地下部分和地上部分砷含量變化；D-E.接種YG-14或者ΔentD的刺槐地下部分和地上部分鐵含量變化；F.刺槐地下部分YG-14或者ΔentD定殖量。

YG-14接種有效提高植物宿主的砷耐受水平

為了探究YG-14促進刺槐根部砷固定是否對刺槐造成損害，測定了接種了YG-14的刺槐根部過氧化氫含量以及抗氧化相關酶的活性。結果表明砷含量和YG-14定殖水平的提高會造成過氧化氫含量提高。但是，YG-14的定殖也促進了刺槐根部抗氧化酶活性的提高，以更好的保護植物細胞免受氧化損傷。同時，YG-14的定殖促進了谷胱甘肽還原酶(GR)活性水平提高，使得刺槐根部産生更多的還原型谷胱甘肽(GSH)，有助于刺槐更好的抵禦高砷脅迫帶來的損傷。

圖5. A.接種了YG-14後刺槐根部過氧化氫含量；B-D.接種了YG-14後刺槐根部抗氧化酶活性；E.接種了YG-14後刺槐根部GR活性；F-G.接種了YG-14後刺槐根部GSH和GSSG含量變化。

小結

研究從表型、生理生化和分子水平系統揭示了内生細菌通過分泌鐵載體enterobactin活化南方紅壤中的砷鐵化合物，并以定殖方式提高修複植物根部固定水平，最終實現土壤砷污染植物修複的目的。論文為今後利用微生物次生代謝産物開展環境污染治理提供了有價值的參考。

該研究得到了國家自然科學基金的資助。特别感謝2003网站太阳集团、湖南省林業科學院省部共建木本油料資源利用國家重點實驗室提供的技術和經費支持。

通訊作者簡介

朱詠華:教授，博士生導師。研究方向資源與環境微生物的研發和植物—微生物相互作用研究。主要涉及協助植物抗逆和促生的内生菌研究；具有降解環境廢棄物能力的内生菌研究；特色植物内生菌的研究。先後主持與參加了國家自然科學基金、國家重大專項子項目、湖南省科技重點項目等共20餘項科研課題，作為主要研究人員之一獲湖南省科技進步二等獎2項。先後在Journal of Cleaner Production、mbio、The Journal of Biological Chemistry、Biotechnology for Biofuels等國内外知名刊物上發表學術論文50餘篇，作為第一發明人獲得授權專利7項。

第一作者簡介

陳佳偉：男，碩士畢業于2003网站太阳集团（導師朱詠華）。

張軒：湖南省林業科學院副研究員，碩士畢業于2003网站太阳集团（導師朱詠華）主要從事重金屬污染土壤生物修複、森林與濕地生态保護以及相關的林業科研工作。先後主持國家自科基金等科研項目10餘項；作為第一發明人授權專利4項；發表論文30篇，其中第一作者（含通訊）SCI論文9篇；參與制定地方标準1項。