砷(As)是环境中普遍存在的一种强致癌类金属,土壤中的砷过量积累,不仅影响作物生长发育,并且能通过食物链传递作用进入人体,构成极大的健康风险。在我国,土壤中砷污染的形势十分严峻。为了在实施土壤修复的同时,保证农作物的正常生产,我们旨在寻找能够应用于土壤修复的具备抗砷能力的菌株,并希望能够通过制备生物炭来固定这些菌株,以形成具有生物修复功能的菌剂。本次实验选取了一株具有砷抗性与植物促生作用的菌株Burkholderia contaminans ZCC,通过砷敏感菌株*** AW3110中的异源表达进一步证实潜在抗性基因的功能,其次,进行了Illumina-seq转录组测序,筛选了暴露于不同As(III)浓度的差异表达基因,并分析了编码耐As(III)功能的基因。最后,通过盆栽实验,研究了菌株ZCC在不同种类与添加量的生物炭对砷胁迫下蜈蚣草生长的影响,主要结论如下:
(1)对菌株ZCC进行了转录组测序分析,结果揭示出共有4446一定数量的基因得到了注释。进一步通过DEseq分析,我们确定了4935个差异表达基因,其中包括2270个上调基因和1951个下调基因。在0.1 m M和1 m M As(III)胁迫下,菌株ZCC中基因簇ars HBC的表达量均显著上调,ars HBC基因簇赋予了菌株ZCC的As(III)外排功能,将细胞内的As离子排出体外,以缓解As离子的毒性。此外,编码转运蛋白基因(grx C)和抗氧化酶(ohr A)基因显著性上调表达来外排砷,修复砷环境下带来的氧化损伤。
(2)通过异源表达验证,我们探讨了赋予砷抗性的潜在基因功能。基于对菌株ZCC的全基因组和转录组数据的深入分析,筛选出了四个潜在的砷抗性基因mfs、acr3、arsh3-1、arsh3-3。并在大肠杆菌AW3110中实现了异源表达。菌株ZCC中的砷抗性基因赋予了大肠杆菌对As(III)的耐受性,耐As(III)能力达到2 m M。
(3)植物促生菌ZCC与生物炭联合使用显著增强了蜈蚣草的生长性能。具体而言,其生物量分别比对照组高出143%和135%,株高增加了60.57%,叶绿素a和叶绿素b的含量也分别提升了45.71%和43.40%。这一联合施用优化了土壤p H值,提升了土壤的有机质含量,为植物的生长创造了更有利的环境。在砷污染土壤的修复实验中,生物炭与微生物菌剂的联合应用展现出显著效果,不仅大幅提高了蜈蚣草的生物量,还有效增加了植株中的砷含量,同时也增加了蜈蚣草的叶绿素含量,显示出其在As(III)胁迫条件下的优越性能。此外,接种菌液ZCC与生物炭的联合使用还增强了蜈蚣草植株的抗氧化酶活性,包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT),降低了As(III)胁迫处理下蜈蚣草的MDA含量和脯氨酸含量。说明生物炭与菌株ZCC联合施用在一定程度上能够缓解砷胁迫下对蜈蚣草的毒害,促进蜈蚣草生长。
经过深入研究,我们发现植物促生菌ZCC与生物炭联合使用在砷污染土壤修复方面展现出显著的能力。生物炭除了作为土壤改良剂,其还能有效固定微生物,并提升土壤养分含量,进而改善砷胁迫下蜈蚣草的生长状况。综上所述,植物促生菌ZCC与生物炭的联合施用对砷污染土壤表现出良好的修复效果。本研究不仅为砷污染环境修复提供了理论支持,同时也具有实际的应用价值和重要意义。
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