研究解析聚天冬氨酸促進植物富集重金屬鎘的機制

　　重金屬鎘（Cd）對生物體而言是一種有毒元素，耕地土壤中的Cd嚴重威脅著人類健康，去除污染土壤中的Cd是保證土壤長期安全利用的必要措施。植物提取是利用Cd高（超）富集植物將土壤中的Cd吸收和轉運至地上部分，通過收獲植物材料進行無害化、資源化處理的一種修復土壤Cd污染的綠色技術。除了植物對Cd的吸收和富集能力，植物提取效率與土壤條件也密切相關：一方面，土壤中的有效營養影響植物的生長；另一方面，土壤中Cd的有效性直接決定植物對Cd的吸收效率。因此，可以利用一些土壤改良劑提高土壤中礦質元素或重金屬的生物有效性來強化植物提取效率。

　　聚天冬氨酸（PASP）是一種可完全降解的天然聚合物，在農業和環境領域有廣泛的應用。研究發現PASP能有效強化植物對土壤中重金屬的提取效率，但前期普遍認為PASP通過螯合作用直接活化了土壤中的重金屬或營養元素，而忽略了PASP與其他土壤因子（特別是土壤微生物）的相互作用是否會對植物富集重金屬產生影響。為了從相關機制中進一步發掘強化植物提取Cd效率的方法，中國科學院昆明植物研究所和云南師范大學研究人員以Cd高富集植物鬼針草（Bidens pilosa L.）為研究對象，對以上問題展開了研究。

　　研究人員發現土壤添加3g kg-1和6g kg-1的PASP不僅顯著（P < 0.05）增加了鬼針草的生物量，也顯著（P < 0.05）促進了鬼針草對Cd的吸收（圖1），最終使得鬼針草對Cd的提取效率（地上部分總Cd富集量）分別提高了46.4%和76.4%。對植物根際土壤的元素含量分析表明PAPS處理明顯改變了（P < 0.05）土壤元素的有效性，從而有效促進了植物對Cd和營養元素的攝入。除了PASP對元素的直接螯合作用，該研究發現PAPS處理使植物根際募集了多種植物促生菌（圖2），這些植物促生菌能通過多種機制促進Cd脅迫下鬼針草的生長和活力，同時一些植物促生菌也能通過分泌有機酸、鐵載體等物質間接活化土壤中Cd和營養元素。其中，一些具有解鉀（K）功能的植物促生菌可能和PASP一起使得土壤有效K含量增加3.7~21.7倍，除了作為植物營養，有效K的增加可能也對植物富集Cd具有重要的調節作用。此外，植物生理和代謝組分析發現鬼針草葉片中抗氧化酶、氨基酸、有機酸和脂類參與的多種解毒過程被顯著（P < 0.05）誘導，這是鬼針草在Cd攝入顯著增加的情況下維持生長的內在基礎。

　　以上結果表明PASA通過重塑植物根際環境（特別是微生物群落組成）和調節植物代謝過程來促進鬼針草的生長和對Cd的富集。該研究促進了對土壤螯合劑強化植物提取效率的機制的認識，為螯合劑和植物促生菌聯合強化植物提取效率提供了理論指導。研究結果以Polyaspartic acid enhances the Cd phytoextraction efficiency of Bidens pilosa by remolding the rhizospheric environment and reprogramming plant metabolism為題發表在Chemosphere上。相關研究工作得到中科院青年創新促進會和云南省基礎研究計劃重點項目等的支持。

圖1 PASP處理對鬼針草生長和Cd富集的影響

圖2 PASP處理下植物根際細菌類群（屬水平）的豐度變化（紅色字體表示潛在的植物促生菌）