镉（Cd）在西洋参（Panax quinquefolium L.）中的积累会对其产量和安全性产生负面影响。之前的研究发现，生物炭可以减少西洋参中的镉含量，但其机制尚未阐明。

2024年01月，来自济南大学周洁教授团队在Science of the total environment（IF=8.2）上发表题为“Biochar reduces the cadmium content of Panax quinquefolium L. by improving rhizosphere microecology”的文章。该研究利用宏基因组测序和非靶向代谢组学技术检测并分析了Cd、Cd+生物炭和生物炭的不同处理条件下对西洋参的影响，揭示了生物炭处理可通过改善土壤性质、根际群落、土壤代谢物和植物代谢物，降低了幼苗中的镉含量。该文章中非靶向代谢组检测、宏基因组测序技术均由诺禾致源提供。

研究思路

研究结果

1. 生物炭对镉胁迫下西洋参幼苗生长和酶活性的影响

不同处理条件比较发现，镉胁迫显著抑制了西洋参幼苗的生长，导致根长、叶鲜重、根鲜重和根干重明显减少。同时，镉胁迫引发了氧化应激，增加了SOD酶活性但降低了POD酶活性。添加生物炭后，显著缓解了镉胁迫对西洋参生物量的负面影响，使根长、叶鲜重和根鲜重显著增加。此外，生物炭还增强了SOD和POD酶活性，提高了植物清除活性氧的能力，从而减少了氧化损伤。总体而言，生物炭在缓解重金属镉胁迫方面表现出显著效果，有助于提高植物在逆境下的生长和生存能力。

2. 生物炭对镉胁迫下土壤性质和酶活性、土壤中镉形态及西洋参中镉含量的影响

土壤的物理和化学性质是正常植物发育的关键。不同处理对土壤性质的影响也不同，镉应激显著影响了土壤的养分含量和酶活性，降低了土壤肥力和健康。而添加生物炭后，土壤的pH值、养分含量和酶活性均显著增加，表明生物炭在缓解镉应激对土壤的不利影响方面具有显著效果，有助于改善土壤质量和肥力（图1）。

图1 生物炭对镉胁迫下西洋参根际土壤酶活性的影响分析

生物炭的施用显著减少了西洋参中的镉浓度，同时改变了土壤中镉的形态，使其由易迁移和生物有效态转化为固定态。这不仅减少了植物对镉的吸收，也降低了土壤中镉的迁移风险，显示出生物炭在重金属污染修复方面的潜力（图2）。

图2 生物炭对镉胁迫下西洋参幼苗中镉含量及土壤中镉形态的影响分析

3. 生物炭对镉污染下西洋参幼苗根际土壤微生物的影响

与对照组相比，镉胁迫显著降低了细菌Chao1指数和Simpson指数，以及真菌Shannon指数（p < 0.05）。生物炭对土壤真菌群落的影响。在门水平上，担子菌门、子囊菌门和毛霉菌门是主要优势门。研究结果表明，镉胁迫显著影响了西洋参根际的微生物群落多样性和结构。镉胁迫降低了微生物群落的多样性，并改变了细菌和真菌群落的组成。然而，生物炭的添加在镉胁迫条件下显著改善了这些不利影响，增加了某些有益微生物的相对丰度，同时减少了某些潜在有害微生物的相对丰度。这些发现表明，生物炭在缓解重金属污染对土壤微生物群落的负面影响方面具有显著潜力，有助于维持土壤生态系统的健康和稳定（图3）。

图3 不同处理下西洋参根际微生物群落的变化分析

4. 生物炭在镉胁迫下对西洋参幼苗及土壤代谢组学的影响

为了确定生物炭对西洋参幼苗代谢组学的影响，作者进行了非靶向代谢检测。研究发现生物炭在镉胁迫条件下对西洋参幼苗和根际土壤的代谢组学特征产生了显著影响。镉胁迫不仅改变了西洋参幼苗中的代谢物水平，还显著影响了根际土壤中的代谢路径。生物炭的添加在镉胁迫条件下通过上调某些抗逆性相关代谢物和调控重要代谢路径，显著改善了西洋参的代谢状态及土壤健康。这些发现表明，生物炭在缓解重金属污染对植物和土壤的不利影响方面具有显著潜力，有助于提高植物的抗逆性和土壤生态系统的稳定性（图4）。

图4 生物炭在镉胁迫下对西洋参幼苗及土壤代谢组学的影响分析

5. 在镉胁迫下代谢组学与微生物之间的相关性分析

研究结果表明，土壤微生物通过与植物代谢物的复杂相关性，显著影响了西洋参的代谢过程和抗逆性。Subgroup_10 、Sphingomonas和Candidatus_Nitrosotalea等微生物与人参皂苷和维生素H等代谢物显著正相关，表明它们可能在增强植物抗逆性和促进生长方面起重要作用。Solicoccozyma和Naganishia与苯类化合物、有机酸及川乌碱等显著正相关，这些代谢物可能在植物防御机制中发挥重要作用。Trichoderma和Humicola等微生物与泛酸显著正相关，可能在调节植物生长和抗逆性方面具有潜力。相反，一些微生物如Pyrenochaetopsis等与上述代谢物显著负相关，可能对植物代谢产生抑制作用。这些发现表明，土壤微生物通过调控植物代谢物的合成和积累来应对环境压力，进而影响植物的健康和生长。进一步了解这些微生物与植物代谢之间的相互作用机制，有助于开发新的农业管理策略，以提高作物抗逆性和生产力。

图5  植物代谢组学、土壤代谢组学和土壤微生物的相关性分析

研究总结

本研究通过宏基因测序和非靶向代谢检测技术评估了生物炭对西洋参中镉累积的减少效果及其潜在机制。研究发现添加生物炭导致土壤中生物可利用的镉被固定，防止镉向植物迁移，缓解了西洋参幼苗中重金属镉的生物累积。生物炭主要通过三种机制减少土壤中生物可利用的镉：(a) 生物炭通过增加土壤pH值和有机质含量使土壤中的镉钝化；(b) 生物炭通过提高变形菌和拟杆菌的相对丰度，将生物可利用的镉转化为固定形式；(c) 生物炭通过提高土壤中镉螯合代谢物的含量（例如柚皮素、咖啡酸和缬氨酸）和植物中的解毒代谢物（例如苹果酸、黄酮类和富马酸）来减少镉的含量。此外，这些代谢物的变化与根际微生态显著相关；本研究揭示了生物炭减少西洋参中镉累积的机制，为减少西洋参的镉污染和提高药用植物材料的安全性提供了一种新策略。

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参考文献

Chen, Xiaoli et al. “Biochar reduces the cadmium content of Panax quinquefolium L. by improving rhizosphere microecology.” The Science of the total environment vol. 915 (2024): 170005.