植物根际促生菌及丛枝菌根真菌协助植物修复重金属污染土壤的机制

植物修复是一种前景广阔的重金属污染土壤的主要修复技术,在微生物的协助下效果更为显著。植物根际促生菌可通过分泌吲哚-3-乙酸(IAA)、产铁载体、固氮溶磷等方式促进植物生长、改善植物重金属耐受性,从而有效提高重金属污染土壤的植物修复效率。菌根真菌是土壤-植物系统中重要的功能菌群之一,可侵染植物根系改变根系形态和矿质营养状况,通过菌丝体吸附重金属,也可产生球囊霉素、有机酸、植物生长素等次生代谢产物改变重金属生物有效性。植物根际促生菌与丛枝菌根真菌可对植物产生协同促生作用,在重金属污染土壤修复中具有一定应用潜力。目前,国内外关于植物根际促生菌和丛枝菌根真菌互作已有大量研究,而二者的相互作用机理仍处于探索阶段。本文综述了近年来国内外植物根际促生菌和丛枝菌根真菌在重金属污染土壤植物修复中的作用机制,并对其研究前景进行展望。     

鄱阳湖-乐安河段湿地耐Cu、Zn、Pb植物促生菌的分离、筛选及鉴定

【背景】植物促生菌因其对植物生长促进及增强抗逆性等优点在植物-微生物联合修复重金属污染土壤中具有良好应用潜力。在污染土壤中,土著植物促生菌能够更好地定殖并保证促植物生长能力的发挥。【目的】从常年受上游多种重金属污染的鄱阳湖-乐安河段湿地分离出一批具有多种重金属抗性的优势土著植物促生菌,以期为植物-微生物联合修复重金属污染湿地提供一批优质的菌种资源。【方法】从乐安河流域戴村受重金属污染的湿地土壤及水体中分离具有Cu、Zn、Pb抗性菌株,测定菌株的促植物生长特性[产IAA(Indole acetic acid)、溶磷、产铁载体及ACC(1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid)脱氨酶活性],挑选促生特性较好的菌株进行16S r RNA基因序列分析鉴定,并测定菌株对其他胁迫条件(抗生素、酸碱、盐)的耐受能力。【结果】分离得到22株能够同时耐受Cu 50 mg/L、Zn 400 mg/L、Pb 800 mg/L的菌株,其中10株表现出较好的促植物生长特性,对其进行16S r RNA基因序列分析鉴定,有4株属于Ralstonia sp.,3株属于Burkholderia sp.,另3株则分别属于Cupriavidus sp.、Stenotrophomonas sp.和Novosphingobium sp.。基于这10株菌抗性特征的聚类分析及主成分分析,结果与系统发育树分析结果高度一致。【结论】耐受多种重金属的土著植物促生菌的分离鉴定为重金属污染土壤的植物-微生物联合原位修复提供良好的微生物资源。     

重金属胁迫下内生菌对宿主植物的解毒机制

采用内生菌联合植物修复是土壤重金属污染修复理论研究和应用实践的新思路。较之根际促生菌,内生菌因生存环境稳定且与植物联系更加紧密,在实际应用中具有更大价值。在重金属胁迫下,部分具有特定功能的细菌可进入植物体内成为内生菌,这些内生菌通常在重金属吸收、耐受和解毒方面具有优良的特性,而且可以协同宿主植物耐受重金属胁迫,表现在直接或间接降低植物体内重金属胁迫强度和提高植物本身对重金属的耐受性两方面。系统分析了内生菌对宿主植物的解毒机制,综述了近年来内生菌增强植物重金属耐受性的研究,展望了重金属胁迫下植物和内生菌互作机制的研究思路和方向。     

根际促生菌强化植物修复重金属污染土壤的研究进展

植物修复虽然是近年来土壤重金属污染修复的重要手段之一,但因修复植物生长缓慢、生物量小、重金属转移率低等因素严重影限制了植物修复技术的广泛应用。根际促生菌(plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)作为一类生长在植物根际土壤中的微生物,不仅能够利用自身的抗性系统减缓重金属离子对植物的毒性,还能够改变重金属的形态和迁移率,并通过分泌铁载体、有机酸、生物表面活性剂、植物激素等作用,直接或者间接地促进植物生长和增强植物对重金属的抗性,在强化植物修复土壤重金属污染过程中发挥着重要的作用。现介绍了根际促生菌的种类及其重金属抗性机制,总结了近年来国内外关于根际促生菌促进植物生长、强化植物修复重金属污染土壤的作用原理,同时对该研究领域目前存在的问题以及今后的研究前景进行展望,以期为今后土壤重金属修复研究提供新的思路和理论依据。     

根际微生物调控植物根系构型研究进展

根系构型是最重要的植物形态特征之一,具有可塑性,既由遗传因素控制,又受到许多环境因子的调控。近年的大量研究表明,根际微生物能够调控植物的根系构型,进而影响植物的一系列生理与生态过程。综述丛枝菌根真菌(AMF)、根瘤菌、植物根际促生菌(PGPR)等重要根际微生物类群对植物根系构型的调控模式以及相应的调控机理,并对进一步的研究进行了展望,旨在为今后的相关研究和实际应用提供参考。     

植物内生菌的研究进展

植物内生菌是存在于植物内部与植物密不可分的一类微生物,包括内生真菌和内生细菌两大类。随着研究的不断深入,发现内生菌不仅产生多种有益的生物学作用,如防病、促生、固氮等,还能对寄主植物的生长发育产生不利影响。近年来,植物内生菌已成为我国微生物学领域研究的热点问题之一。本文综述了植物内生真菌和内生细菌的研究概况,以期更好地研究和了解植物内生菌。     

植物内生微生物及其“暗物质”开发技术的研究进展

植物内生微生物包含内生菌、内生细菌、内生真菌、内生放线菌、内生古细菌等领域,其"暗物质"是指尚未被开发的菌种资源、遗传资源和代谢物资源。根据对宿主植物的作用,可以将内生微生物分为共生内生微生物、有益内生微生物和潜在的病原微生物三类。内生微生物在植物促生、提高植物抗逆性、提高植物的环境适应性、影响植物代谢物合成、参与被污染环境的修复等方面具有广泛的应用。具有生理活性的次级代谢产物的开发和利用是植物内生微生物研究的另一个热门领域,但由于大多数不能被分离培养、次级代谢物的分离分析技术不足等原因,使得大量的植物内生微生物资源仍处于未知状态。表面消毒技术、分离培养技术的改进,"多-组学"技术的联合使用和次级代谢物分离分析技术的发展极大促进了植物内生微生物的研究。在此基础上,开展微生物组研究和多单位多地域的协同研究将会进一步加快植物内生微生物资源的研究、发掘和利用。以上述内容为基础,本文综述了植物内生微生物的功能及其代谢产物研究进展,当前植物内生微生物研究的分离培养方法和组学技术,并在文章最后对该领域的研究方向提出了建议。     

一株具有植物促生作用的重金属铅吸附菌的筛选与鉴定

【背景】随着工业化的发展,重金属污染逐渐成为主要的环境污染之一。微生物修复去除重金属污染成为近些年来新兴的修复方法,筛选开发具有良好修复功能的微生物菌株具有重要的现实意义。【目的】筛选具有促进植物生长作用的重金属修复菌株,为生物修复和植物促生等综合开发利用提供微生物资源。【方法】利用选择性培养基从淤泥中筛选重金属铅的抗性菌株,根据形态学观察、生理生化鉴定和16S rRNA基因序列分析对菌株进行分离鉴定,通过单因素分析不同培养条件对菌株生长的影响;采用原子吸收光谱法、比色法及平板对峙法等对菌株的重金属铅吸附率、无机磷溶解能力、吲哚乙酸(indole-3-acetic acid,IAA)分泌及拮抗镰刀菌效果等进行分析。【结果】从污染严重的塘泥中筛选到一株对重金属铅有较好吸附率的菌株,在150 mg/L Pb²⁺浓度下,对Pb²⁺的吸附率达90%以上;初步鉴定该菌株为蜡样芽孢杆菌,命名为SEM-15;菌株还具有较好的溶解无机磷、分泌IAA及拮抗镰刀菌的能力;菌株生长适应性强,可以在pH 10.0的强碱性环境下生长,该菌株具有很好的重金属铅污染修复及促生防病的应用潜力。【结论】菌株SEM-15是一株具有植物促生作用的重金属铅吸附菌株,在重金属污染土壤联合植物修复的应用中可能具有较好的开发价值。     

植物内生菌资源

植物内生菌是一类重要的微生物资源,近年来成为微生物资源研究的热点之一。对内生菌的多样性和开发利用的研究进展以及值得研究的问题等方面进行评述。     

植物修复石油烃污染土壤的机制

根据石油烃污染土壤植物修复的应用和研究现状,对近年来国内外植物修复机制进行阐述与探讨。植物首先通过根系直接吸收石油烃,并利用自身的新陈代谢或植物内生菌的协作将其去除。石油烃一旦被根系吸收,植物就会通过木质化作用将其储存在组织中,或通过植物挥发或植物降解将其转化成一些低毒的中间代谢产物或CO_2和H2O;而植物内生菌与植物降解、植物修复以及植物保护密切相关。其次,根际分泌物和根际微生物在石油烃污染土壤根际修复方面起到重要作用。根际是受根系活动影响的一个微生态区,因而可以认为根际修复是去除土壤中石油烃的主要方式。植物根系可以向根际释放一些分泌物和酶类。其中,酶可以直接作用于石油烃,对石油烃的降解起到关键的作用;而根际分泌物可以向根际微生物提供碳源、能源或共代谢物,使根际微生物数量和活性明显高于非根际,生物降解作用增强。今后可以从根际分泌物作用的微生态过程、功能基因的寻找和构建、厌氧氧化的过程和机制、植物内生菌的作用和应用,以及利用组学手段研究植物修复机制5个方面开展工作,以期望为未来植物修复工作提供重要的科学支持。     

Plant Hairy Roots for Remediation of Aqueous Pollutants

Significant progress has been made in recent years in enhancing the ability of plants to tolerate, remove, and degrade pollutants. Plant root remediation of contaminated soils and groundwater shows great potential for future development due to its environmental compatibility and cost-effectiveness. Hairy roots are disease manifestations developed by plants that are wounded and infected by Agrobacterium rhizogenes. The application of transgenic hairy roots in phytoremediation has been suggested mainly because of their biochemical resemblance to the roots of the plant from which they are derived. The application of genetic engineering has greatly augmented removal rates of hazardous pollutants. In addition, the rhizospheric bacteria that live on or around plant hairy roots also lead to improved tolerance to normally phytotoxic chemicals and increased removal of pollutants. This paper provides a broad overview of the evidence supporting the suitability and prospects of hairy roots in phytoremediation of organic pollutants and heavy metals.     

重金属污染土壤植物修复基本原理及强化措施探讨

阐述了植物修复的基本概念及主要作用方式 ,并从土壤中重金属存在形态 ,植物对重金属吸收、排泄和积累以及植物生物学特性与植物修复的关系等方面讨论了重金属污染土壤植物修复的基本原理及局限性和限制性因素 ,从超富集植物性能强化和技术强化两方面探讨了植物修复的强化措施 ,并指出与现代化农业技术相结合是植物修复重金属污染土壤大规模商业应用的一条捷径     

植物修复重金属污染及内生细菌效应

土壤和水体的重金属污染已严重危害人类生存环境与健康。由于受重金属污染的环境分布广泛,迫切需要开发经济的清除环境重金属的技术。植物修复是通过绿色植物降解或移除环境污染物,有望成为重金属污染环境的原位修复技术。植物内生菌是指定殖于健康植物的各种组织和器官内部的细菌,被感染的宿主植物不表现出外在病症,耐重金属的内生菌在多种超富集植物中存在。在植物修复过程中,野生型内生菌或基因工程内生菌的抗性系统能降低重金属植物毒性,促进其迁移金属。耐重金属内生菌还可以通过固氮、溶解矿物元素及产生类植物激素、铁载体和ACC脱氨酶等产物促进植物的生长。主要综述目前植物-内生菌相互作用及其潜在的促进植物修复重金属污染的研究进展。     

重金属污染土壤植物修复中细胞分裂素的作用与机制

植物修复因投资成本低、环境扰动少、二次污染易控制、美化环境等优点成为重金属污染土壤修复重要的治理技术。植物内源细胞分裂素调控植物生理活动,外源细胞分裂素对植物生理生态特征产生显著影响,且在植物修复中逐渐受到研究人员的关注。细胞分裂素能够调控植物根茎发育、叶片衰老、激素传递等过程,同时在重金属胁迫下也参与蒸腾、光合、抗性、解毒等系统的运转。以细胞分裂素对植物生理活动的调控作用研究为基础,阐述了细胞分裂素在植物修复中的作用机制。主要包括：增强光合作用,延缓叶片衰老,提升植物抗性能力;调控根茎叶发育,增加植物生物量,强化植物富集效果;增强转运蛋白表达,提高叶面蒸腾作用,促进重金属吸收转运;参与解毒过程,降低重金属毒性,调控重金属体内转化。最后提出了细胞分裂素在重金属污染土壤植物修复中的研究方向,这对促进细胞分裂素在植物修复中的实际应用具有重要意义。     

Brassicaceae (Cruciferae) Family,Plant Biotechnology,and Phytoremediation

Plants represent a natural environmentally safe way to clean or remediate contaminated sites. Members of the Brassicaceae or Cruciferae plant family have a key role in phytoremediation technology. Many wild crucifer species are known to hyperaccumulate heavy metals and possess genes for resistance or tolerance to the toxic effects of a wide range of metals. Metal uptake, sensitivity, and sequestration have been studied extensively in Arabidopsis thaliana, and a number of heavy metal-sensitive and ion-accumulating mutants have been identified. This species is a likely source of genes for phytoremediation. Within the Brassicaceae, Brassica and other crop species are likely candidates for phytoremediation. There is a wealth of information on the agronomics of the economically important members and biomass production can be extensive. Many of these species are well adapted to a range of environmental conditions. Some species are tolerant to high levels of heavy metals, and there is the potential to select superior genotypes for phytoremediation. They are well suited to genetic manipulation and in vitro culture techniques and are attractive candidates for the introduction of genes aimed at phytoremediation. Biotechnology and molecular biology are valuable tools for studies of metal accumulation and tolerance in hyperaccumulating species and for the transfer of relevant genes into crucifer species suitable for phytoremediation. The purpose of this article is to review the potential use of both wild and cultivated members of the Brassicaceae in phytoremediation.     

重金属污染环境的植物修复及其分子机制

重金属污染物的排放和扩散造成了日益严重的环境污染。如何消除环境中的重金属污染物已成为国际性难题。近年来,植物修复技术的出现和快速发展为我们展示了一条新的有效途径：即利用植物对重金属化合物的吸收、富集和转化能力去除土壤和水体中残存的重金属污染物。文章简要介绍了重金属污染物与植物修复的关系和植物修复的生理机制,重点总结了重金属污染环境的植物修复在分子生物学方面所取得的研究进展,包括有机汞裂解酶基因merB、汞离子还原酶基因merA和金属硫蛋白基因MT等的生物学功能及其在植物修复上的应用,展望了植物修复研究工作的发展方向,并针对汞污染提出了一套修复方案。     

大蒜植物络合素合酶基因转化对酵母重金属抗性的提高

重金属污染是全球面临的亟待解决的生态问题。利用植物对重金属的富集作用来清除环境重金属污染即植物修复已成为重要的环境生物技术之一。这一技术的长远发展有赖于在重金属富集或耐受中起关键作用的基因的克隆和应用。植物络合素是植物体内一类重要的对重金属起螯合作用的多肽, 其合成受植物络合素合酶的催化。该文取得了如下研究结果:1)通过原子吸收测定表明,在大蒜(Allium sativum)的根部可以积累3 000 mg·kg^-1的重金属镉;2)将克隆的大蒜植物络合素合酶基因(AsPCS)置于酵母表达启动子之下,构建酵母表达载体,并将其分别转入了因CUP1和acr3基因缺失而对重金属镉和砷敏感的酵母突变体菌株后,发现来自大蒜的AsPCS基因的表达使酵母CUP1缺失菌株对镉的耐受性提高了4倍, acr3缺失菌株对砷的耐受性提高了两倍;3)表达AsPCS基因酵母的生长模式证实了AsPCS基因的表达是酵母对重金属耐受性提高的原因。这些结果暗示, 大蒜植物络合素合酶基因在大蒜对重金属的抗性及大蒜根部对镉的积累中起关键作用,可作为重要的基因元件应用到修复污染的植物基因工程中。     

Understanding molecular mechanisms for improving phytoremediation of heavy metal-contaminated soils

Heavy metal pollution of soil is a significant environmental problem with a negative potential impact on human health and agriculture. Rhizosphere, as an important interface of soil and plants, plays a significant role in phytoremediation of contaminated soil by heavy metals, in which, microbial populations are known to affect heavy metal mobility and availability to the plant through release of chelating agents, acidification, phosphate solubilization and redox changes, and therefore, have potential to enhance phytoremediation processes. Phytoremediation strategies with appropriate heavy metal-adapted rhizobacteria or mycorrhizas have received more and more attention. In addition, some plants possess a range of potential mechanisms that may be involved in the detoxification of heavy metals, and they manage to survive under metal stresses. High tolerance to heavy metal toxicity could rely either on reduced uptake or increased plant internal sequestration, which is manifested by an interaction between a genotype and its environment.A coordinated network of molecular processes provides plants with multiple metal-detoxifying mechanisms and repair capabilities. The growing application of molecular genetic technologies has led to an increased understanding of mechanisms of heavy metal tolerance/accumulation in plants and, subsequently, many transgenic plants with increased heavy metal resistance, as well as increased uptake of heavy metals, have been developed for the purpose of phytoremediation. This article reviews advantages, possible mechanisms, current status and future direction of phytoremediation for heavy-metal–contaminated soils.     

Plant growth promoting rhizobacteria and endophytes accelerate phytoremediation of metalliferous soils

Technogenic activities (industrial—plastic, textiles, microelectronics, wood preservatives; mining—mine refuse, tailings, smelting; agrochemicals—chemical fertilizers, farm yard manure, pesticides; aerosols—pyrometallurgical and automobile exhausts; biosolids—sewage sludge, domestic waste; fly ash—coal combustion products) are the primary sources of heavy metal contamination and pollution in the environment in addition to geogenic sources. During the last two decades, bioremediation has emerged as a potential tool to clean up the metal-contaminated/polluted environment. Exclusively derived processes by plants alone (phytoremediation) are time-consuming. Further, high levels of pollutants pose toxicity to the remediating plants. This situation could be ameliorated and accelerated by exploring the partnership of plant-microbe, which would improve the plant growth by facilitating the sequestration of toxic heavy metals. Plants can bioconcentrate (phytoextraction) as well as bioimmobilize or inactivate (phytostabilization) toxic heavy metals through in situ rhizospheric processes. The mobility and bioavailability of heavy metal in the soil, particularly at the rhizosphere where root uptake or exclusion takes place, are critical factors that affect phytoextraction and phytostabilization. Developing new methods for either enhancing (phytoextraction) or reducing the bioavailability of metal contaminants in the rhizosphere (phytostabilization) as well as improving plant establishment, growth, and health could significantly speed up the process of bioremediation techniques. In this review, we have highlighted the role of plant growth promoting rhizo- and/or endophytic bacteria in accelerating phytoremediation derived benefits in extensive tables and elaborate schematic sketches.