《Microbial Ecology》：Rare Microbial Taxa Dominate the Microecological Landscape of Cadmium Exposure in Rice Rhizosphere
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本研究針對土壤鎘污染威脅水稻安全生產的突出問題，系統解析了鎘梯度處理下水稻根際微生物群落的響應規律。研究發現稀有真菌類群通過"低促高抑"模式主導微生態變化，在低鎘濃度下顯著提升群落多樣性、增強網絡互作，并通過確定性過程驅動群落構建。該研究為利用稀有微生物資源開展鎘污染生物修復提供了新視角。
隨著工業化和農業的快速發展，稻田土壤鎘污染問題日益嚴重，對整個生態系統的完整性構成威脅。鎘通過復雜動態的食物鏈傳遞，對人類健康產生嚴重影響。傳統的物理化學修復方法成本高、效率低，因此探索通過調控土壤微生物群落來實現生物修復具有重要意義。水稻作為全球最重要的糧食作物之一，其根際微生物群落與植株的抗逆性密切相關，但在鎘梯度脅迫下，不同豐度微生物類群的響應差異及其機制尚不明確。
在這項發表于《Microbial Ecology》的研究中，研究人員通過盆栽實驗，系統分析了鎘梯度處理下水稻根際細菌和真菌群落的多樣性、組成、共現網絡結構和組裝過程，特別關注了稀有類群的響應模式和生態功能。研究發現鎘暴露顯著抑制水稻生長，其中根系發育受抑制程度明顯高于地上部，且根系鎘積累量顯著高于莖葉組織。隨著鎘濃度升高，水稻植株丙二醛含量顯著增加，超氧化物歧化酶活性升高，表明細胞膜脂質過氧化加劇和氧化應激防御機制的激活。
研究采用的主要技術方法包括：盆栽實驗設計（設置0、2.5、5、15 mg kg-1四個鎘濃度梯度），水稻生長生理指標測定（株高、根長、生物量、抗氧化酶活性、鎘積累量），根際土壤樣品采集，DNA提取和高通量測序（細菌16S rRNA基因V3-V4區和真菌ITS1區），以及微生物群落分析（α多樣性、β多樣性、共現網絡構建和零模型分析）。
Changes in bacterial and fungal diversity in rice rhizosphere induced by Cd gradient treatment
研究人員發現鎘濃度對細菌和真菌群落的α多樣性產生不同影響。真菌類群對鎘處理更為敏感，低鎘和中鎘處理顯著增加了總真菌和稀有真菌類群的Chao1指數。主坐標分析結合PERMANOVA分析表明，鎘處理顯著影響細菌和真菌群落的β多樣性，其中稀有真菌類群可能是響應鎘脅迫的關鍵微生物群體。
Cd gradient treatment has a significant impact on the species composition of bacteria and fungi in the rice rhizosphere
在門水平上，變形菌門相對豐度隨鎘濃度增加而持續上升，而酸桿菌門和綠彎菌門在低鎘處理時短暫富集。在屬水平上，稀有細菌類群中的Candidatus Solibacter、Haliangium和TK10以及稀有真菌類群中的Talaromyces、Acremonium和Penicillium在低鎘和中鎘處理下呈現"低中促高抑"的單峰變化模式。
Effects of Cd gradient treatment on the topological structure of bacterial and fungal networks in rice rhizosphere
網絡拓撲結構分析顯示，鎘濃度對細菌和真菌網絡的節點數、邊數等拓撲特征產生顯著影響。低鎘處理顯著增加了細菌和真菌網絡的復雜性，其中稀有類群對網絡復雜性的貢獻最大，特別是稀有類群間的共存關系顯著增加。在高鎘處理下，真菌在網絡中的重要性更加突出。
Cd gradient treatment affects the assembly process of bacteria and fungi in the rice rhizosphere
通過零模型分析發現，隨機過程主要影響細菌和真菌的豐富類群組裝，而稀有類群主要受確定性過程中的同質化選擇主導，尤其是稀有細菌類群。這種組裝模式的差異反映了不同豐度微生物類群對鎘脅迫的適應策略不同。
研究結論表明，稀有類群以"低促高抑"的響應模式主導了水稻根際鎘暴露的微生態景觀。低鎘濃度下，稀有真菌類群的多樣性顯著增加，稀有屬如Candidatus Solibacter和Penicillium顯著富集。鎘處理對細菌和真菌網絡的節點和邊數呈現單峰效應，具有低濃度促進、高濃度抑制的特點。在微生物群落組裝過程中，隨機過程主要主導豐富類群的組裝，而稀有類群主要受確定性過程調控。
該研究的創新之處在于系統揭示了稀有微生物類群在鎘脅迫下的核心作用，為理解重金屬污染下土壤微生態的調控機制提供了新視角。研究發現稀有類群可作為鎘污染的早期"哨兵"，驅動整個群落結構的早期變化，在土壤生態系統多功能性恢復中發揮重要作用。這些發現為農業生態系統中鎘污染的高效低成本治理提供了理論依據，對推動農業可持續發展具有重要意義。未來的研究將通過田間試驗驗證盆栽實驗結果，并利用功能驗證 assay 闡明核心稀有類群響應鎘暴露的分子機制，為鎘污染農田土壤的生物修復提供更直接的技術支撐。
