蒙自桤木根内生菌在云南露天铅锌矿区植被演替中的作用及其机制研究

本研究拟采取空间换时间的策略，沿着云南募乃露天铅锌矿区蒙自桤木-紫茎泽兰植物群落自然演替的轨迹，以植物根内生（细/真）菌群落的响应及土壤酶活性为指标，拟利用16S和18S rRNA基因PCR克隆、RFLP、序列分析等技术构建植物根内生菌的种群克隆文库，分析矿区金属型植物群落自然演替过程中根内生菌群落的演替规律；温室控制条件下，研究根内生菌与桤木-紫茎泽兰种间竞争的互作效应，揭示根内生菌对矿区植被群落演替的驱动效应；利用宏转录技术构建矿区植被演替过程根内生菌功能基因表达多样性文库，初步阐明根内生菌在促进矿区金属型植被演替过程中的功能机制，并在可能的情况下争取发现新的重金属抗性基因；全面评价根内生菌促进蒙自桤木复垦对退化生态系统土壤恢复的生态学价值，为退化矿区生态系统的人工恢复和重建寻找有效的途径，并提供科学依据和技术支撑。

本研究以开采历史悠久的云南露天铅锌矿区内自然恢复植被为研究对象，采用“空间换时间”的策略，旨在研究云南露天铅锌矿区植被自然恢复、演替过程中，植物根内生菌这一功能微生物对植物群落演替的响应特征及其作用，探讨根内生菌强化污染土壤植物修复的功能机制。研究发现，DSE、AMF以及根内生细菌是矿区自然恢复植物根内定殖最为优势的功能微生物类群，是自然恢复植被根系的一个重要的功能组成部分；发现根内定殖的功能微生物区系受地上部分植物群落演替的影响，特别是紫茎泽兰的入侵降低了土著植物根际微生物的多样性，富集了更多被认为是病原细菌的植原体Candidatus phytoplasma；转录组数据表明这些重金属抗性的根系内生菌利用包括胞内和胞外多种策略来适应环境重金属胁迫；同时，温室接种实验也表明这些重金属抗性的根系内生菌增强了宿主植物对重金属胁迫环境的适应性。与不接种的对照相比，接种Exophiala pisciphila显著促进了宿主植物的生长，缓解了过量Cd对宿主植物的毒害；进一步的分析发现，根系接种E. pisciphila显著激活POD、CAT和SOD等抗氧化酶的活性和GSH的含量，减少Cd胁迫造成氧化损伤。qPCR的数据表明，E. pisciphila通过影响Nramp和MTP等Cd转运蛋白表达，从而精细地调整Cd在宿主植物组织亚细胞分布，增加植物细胞壁和液泡等植宿主非活性组织部位的累积。同时，E. pisciphila强化宿主PCS等基因表达，把富集在体内的Cd螯合成非活性态（inactive forms），进一步减少Cd对宿主植物的毒害；基于此，利用Phytomanagement的原理，应用那些生长速度快、生态适应性强的乡土植物如蒙自桤木、芦竹等在裸露矿区土壤和水体建立具一定根茎生物量的稳定植被在有效防止重金属污染物随风、雨水扩散的同时，通过根内生菌和植物的联合作用强化矿区土壤污染的植物修复（Phytoremediation），这对于大面积的矿区土壤的重金属污染物的防控和修复具有十分重要的意义。