氧化修复剂K2S2O8通过多组学调控缓解烟草喹啉羧酸胁迫的机制研究

　　（推荐语）本研究通过整合生化、宏基因组、代谢组与转录组分析，首次揭示氧化剂K2S2O8通过重塑土壤微生物群落（如提升Sphingomonas/Bradyrhizobium丰度）、调控关键代谢通路（如精氨酸-脯氨酸代谢、黄酮生物合成）及修复土壤理化性质，有效缓解喹啉羧酸（C10H5Cl2NO2）对烟草的毒害作用，为稻烟轮作区农药残留土壤修复提供理论依据。

　　

氧化修复剂K₂S₂O₈对烟草喹啉羧酸胁迫的缓解机制

1 引言

喹啉羧酸（C₁₀H₅Cl₂NO₂）作为激素类除草剂，在稻田除草中广泛应用，但其在酸性土壤中的残留会导致后续茄科作物（如烟草）叶片卷曲、生长抑制。传统物理和生物修复法存在成本高或效率低的局限，而化学氧化修复中的过硫酸盐（K₂S₂O₈）因氧化性强、半衰期长，成为潜在解决方案。

2 材料与方法

以烟草品种CB-1为材料，设置三组处理：对照组（CK）、喹啉羧酸处理组（C）、喹啉羧酸+K₂S₂O₈修复组（CY）。通过土壤理化分析、宏基因组测序、转录组和代谢组学技术，系统解析修复机制。

3 结果

3.1 表型修复

喹啉羧酸导致烟草叶片卷曲窄化（图1B），而K₂S₂O₈处理显著恢复叶片形态（图1C），表明其直接缓解植物毒性。

3.2 土壤修复

喹啉羧酸显著降低土壤速效氮磷钾含量（图2F-H），破坏颗粒结构（图2I-J）；K₂S₂O₈使这些指标恢复至接近CK水平，同时提升有机质和pH稳定性（图2A-B）。

3.3 微生物群落重塑

宏基因组分析显示，喹啉羧酸降低微生物α多样性（图3A-C），而K₂S₂O₈使有益菌Sphingomonas和Bradyrhizobium丰度提升3-5倍（图3F），同时抑制有害菌Alphaproteobacteria。

3.4 基因与代谢调控

转录组发现喹啉羧酸导致3019个基因下调（CK vs C），涉及细胞过程（GO:0009987）和应激响应（GO:0050896）；K₂S₂O₈使851个关键基因上调（C vs CY）。代谢组揭示6条核心通路被修复，包括黄酮生物合成（图7E）和精氨酸-脯氨酸代谢，其中5-氨基戊酸和4-羟基苯乙酰谷氨酸水平显著回调。

3.5 多组学网络

Spearman相关性分析（|r|>0.8）构建出微生物-基因-代谢物互作网络（图7F），如Sphingomonas与5-氨基戊酸负相关，Bradyrhizobium通过基因Nitab4.5_0002015g0070调控4-羟基苯乙酰谷氨酸代谢。

4 讨论

K₂S₂O₈通过三重机制发挥作用：①化学氧化降解残留喹啉羧酸；②重塑根际微生态，促进有益菌定植；③调控植物次级代谢（如抑制生长素信号通路ARFs基因）。田间"穴施"验证了其成本效益（附图S2），但需进一步优化pH适应性及长期生态效应。

5 结论

该研究为农药污染土壤修复提供创新策略，证实K₂S₂O₈可通过微生物-植物互作协同缓解除草剂胁迫，推动农业可持续发展。