文章题目：Community metagenomics reveals the processes of cadmium resistance
regulated by microbial functions in soils with Oryza sativa root exudate input
期刊：Science of the Total Environment
影响因子：8.2
发表时间：2023
参考文献：Zhu S, Zhao W, Sun S, Yang X, Mao H, Sheng L, Chen Z. Community metagenomics reveals the processes of cadmium resistance regulated by microbial functions in soils with Oryza sativa root exudate input. Sci Total Environ. 2024 Nov 1;949:175015. doi: 10.1016/j.scitotenv.2024.175015. Epub 2024 Jul 26. PMID: 39069186.
1. 研究背景
l 根据全国土壤重金属污染调查报告，我国 Cd污染耕地面积高达 2.786 × 103公里每平方。在这种情况下，如何减少 Cd 污染对农作物的毒性影响是当前农业生产中亟待解决的问题。
l 解决此问题的传统物理和化学方法面临重大限制，主要是由于成本高且可能导致二次污染。因此，必须深入研究导致 Cd 耐受性的植物-微生物相互作用机制。
2. 研究目的
l 籼稻和粳稻是否会通过不同的根系分泌物调节根际微生物群落的建立，从而导致不同的 Cd 胁迫应对策略。
3. 主要研究问题包括：两种水稻释放的根系分泌物分析？以及有益微生物某些功能基因的表达模式？
4. 科学问题
l 研究根系分泌物对籼稻和粳稻根际微生物群落演替的影响;
l 分析这两种水稻物种释放的化合物，以识别吸引和参与有益微生物群落以产生对重金属的抵抗力的信号分子;
l 揭示这些有益微生物中与重金属耐药性和运输相关的功能基因的表达模式。
5. 实验材料与方法
l 生长参数的测定和取样：每隔 5 天系统监测水稻幼苗的生长情况，并通过照片记录进行记录。处理 15 天后，我们进行了破坏性采样过程，以获取植物样品用于后续评估分析。
l Cd 含量分析；Cd 的富集因子和易位因子：富集因子（籼稻：A-CCF = 水稻根系和叶片总 Cd 含量/土壤总 Cd 含量;粳稻： B-CCF = 水稻根系和叶片中的总 Cd 含量/土壤中的总 Cd 含量）和运输因素（籼稻：A-TCF = 水稻叶片中的 Cd 含量/水稻根中的 Cd 含量;粳稻： B-TCF = 水稻叶片中 Cd 含量/水稻根系中 Cd 含量）
l 植物生理生化指标分析
l 宏基因组测序和分析
l 植物中的非靶向代谢组学测定：收集重约 1 g 的根样品，每组重复 3 次。这些样品被及时称重并在液氮中冷冻，以保持其生化成分。随后，冷冻根样品经过自然风干过程以去除多余的水分。干燥后，将根样品研磨成细粉，提取代谢物并进行分析。
l 土壤中的非靶向代谢组学测定：将 50 mg 样品置于 2 mL 离心管中，加入 400 μL 含有 0.02 mg/mL 内标（L-2-苯丙氨酸）的提取溶液（甲醇：水 =4：1，v/v）用于代谢物提取。将样品溶液在低温 （5 °C， 40 kHz） 下超声辅助提取 30 min。随后，将样品在 −20 °C 下储存 30 分钟，然后在 4 °C 下以 13,000g 离心 15 分钟。将所得上清液转移至配备有内套管的注射瓶中，用于后续分析。
l 统计分析
6. 结果与讨论
l 通过火山图分析，在籼稻和粳稻 A-CK vs A-Cd 和 B-CK vs B-Cd 对照组中分别确定了 65 个 DEMs （44 个上调，21 个下调） 和 189 个 DEMs （124 个上调，21 个下调）。65 个下调），粳稻中上调的 DEM 数量比籼稻高 64.5%。因此，粳稻中关键的差异表达代谢物可能在重塑水稻根际微生物组方面发挥关键作用。
l 进行共生网络分析以确定籼稻和粳稻中重金属耐药性和金属转运蛋白基因中微生物群落的差异表达（图 S7）。结果表明：在Cd胁迫下，籼粳稻根际微环境中具有重金属转运蛋白和重金属抗性功能的微生物群落呈正相关，分别占32.1 %和52.8 %，呈负相关，分别占66.9 %和47.2 %。籼稻和粳稻根际微环境中重金属抗性基因与重金属转运蛋白的正相关分别为 19.7 % 和 84.3 %，负相关分别为 80.3 % 和 15.7 %。籼稻和粳根际微生物群落与重金属耐药基因和重金属转运蛋白呈正相关，分别占 37.3 % 和 64.3 %，与重金属耐药基因和重金属转运蛋白呈负相关，分别占 62.7 % 和 35.7 %。
l 采用 KEGG 功能注释探讨籼稻和粳稻根际微生物群落中的差异表达基因 （DEGs）。结果表明，主要在代谢途径（碳水化合物代谢、氨基酸代谢和能量代谢），在 Cd 胁迫条件下，粳稻和籼稻之间存在显著差异。与籼稻相比，粳稻的信号转导和氨基酸代谢功能通路显著富集
图1 .差异表达代谢物 （DEM） 的分布和富集分析。（一）四个 Cd 可比组中 DEM 的 Veen 图。（B、C、D、E）KEG 上调和下调 DEM 显著性的前 20 条途径，（F，G，H，I） DE 上调和下调的火山图。X 轴表示丰富因子，Y 轴表示通路的名称。
图2.镉胁迫对籼稻和粳根际微生物群落结构和组成的影响。门 （A） 和属 （B） 的组成和相对丰度。门 （C） 和属 （D） 的相关热图比较。根际微生物群落的 ANOSIM 分析 （E） 和 PCOA 分析 （F）。（A-CK：籼稻对照，A-Cd：3 mg/kg Cd，B-CK：粳质对照，B-Cd：3 mg/kg Cd）。图 3.根际微生物群落中 KEGG 通路的相对丰度 （A）;KEGG 相对丰度的 Circos 图 （B）;镉胁迫下籼稻和粳根际微生物群落 （C、D、E、F） 的 KEGG 功能通路分析。（A-CK：籼稻对照，A-Cd：3 mg/kg Cd，B-CK：粳质对照，B-Cd：3 mg/kg Cd）。
图 3.根际微生物群落中 KEGG 通路的相对丰度 （A）;KEGG 相对丰度的 Circos 图（B）;镉胁迫下籼稻和粳根际微生物群落（C、D、E、F）的 KEGG 功能通路分析。（A-CK：籼稻对照，A-Cd：3 mg/kg Cd，B-CK：粳质对照，B-Cd：3 mg/kg Cd）。
