在镉（Cd）胁迫条件下，施用蛭石和巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）能够促进小麦生长、提高籽粒产量、增强光合速率、增加气孔导度和叶绿素含量，同时降低电解质渗漏和植物组织中镉的积累；尤其是两者联合施用时效果更为显著。
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在镉（Cd）胁迫条件下，施用蛭石和巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）能够促进小麦生长、提高籽粒产量、增强光合速率、增加气孔导度和叶绿素含量，同时降低电解质渗漏和植物组织中镉的积累；尤其是两者联合施用时效果更为显著。
农业土壤中的镉（Cd）污染对作物生产力和人类健康构成严重威胁。本研究评估了蛭石和植物促生细菌Azospirillum brasilense缓解小麦（Triticum aestivum L.）镉毒性的潜力。通过设置三个重复和九个处理的盆栽试验开展实验：T0（对照），T1（Cd 100 mg/kg），T2（Cd 100 mg/kg + 蛭石），T3（Cd 100 mg/kg + A. brasilense），T4（Cd 100 mg/kg + 蛭石 + A. brasilense），T5（Cd 200 mg/kg），T6（Cd 200 mg/kg + 蛭石），T7（Cd 200 mg/kg + A. brasilense），以及T8（Cd 200 mg/kg + 蛭石 + A. brasilense）。较高的镉浓度导致小麦生长抑制更为严重。然而，施用蛭石和A. brasilense的处理显著促进了植株生长，降低了植物组织中镉的积累，并增强了抗氧化酶活性（SOD、CAT）。值得注意的是，蛭石与A. brasilense联合施用（T4和T8）对缓解镉胁迫的效果最为显著。在100 mg/kg镉处理下（T4），与单独镉处理相比，小麦株高增加10.67%，穗长增加10.21%，籽粒产量提高19.87%。在200 mg/kg镉胁迫下（T8），相同组合使株高增加44.83%，穗长提升17.63%，产量较未处理的镉胁迫植株（T5）提高44.83%。结果表明，蛭石与Azospirillum brasilense的协同应用可增强小麦对镉毒性的耐受性。该组合在镉胁迫条件下改善了生长指标、生理特性及产量，为修复镉污染土壤和维持小麦生产力提供了一种环境友好的策略。
小麦（Triticum aestivum L.）是一种重要的主粮作物，为数百万人提供主要能量来源1。作为一种主要食物来源，小麦在广阔的农业土地上广泛种植，尤其是在温带地区。小麦具有用途多样、营养价值高以及对多种环境条件适应性强等特点，是粮食安全的重要支柱2。然而，小麦的产量潜力常受到各种非生物和生物胁迫因素的影响，导致生产力显著下降。当前小麦生产面临的一个紧迫挑战是土壤中重金属污染，尤其是镉（Cd）污染2,3。镉是一种有毒重金属，可通过工业活动、磷肥施用以及使用受污染水源进行灌溉而进入农田土壤。一旦进入土壤，镉便容易被小麦植株吸收，并在不同组织中积累，从而引发氧化应激、生理功能受损以及生长受抑3。镉对小麦的毒性不仅降低作物产量，还通过污染谷物的摄入对人类健康造成危害。重金属毒性以及其他因素，如养分缺乏、土壤结构不良、干旱胁迫以及不理想的农艺措施，共同导致小麦产量偏低4。气候变化的持续威胁进一步加剧了这些挑战，使得实现小麦可持续生产日益困难5。
蛭石是一种天然矿物，因其独特的性质和作为土壤改良剂的益处而在农业领域受到广泛关注。蛭石主要由含水的镁-铝-铁硅酸盐组成，其在受热时能够膨胀，形成一种轻质、高度多孔的材料6。这种膨胀后的蛭石具有优异的保水性和通气能力，是改善土壤结构、促进植物生长的理想介质。在农业应用中，蛭石是土壤混合物中的关键组分，尤其适用于土壤质量较差或需要加强水分与养分管理的环境条件7。蛭石能够在土壤中保持水分，并在水分胁迫条件下维持土壤湿度，有助于防止积水，并确保植物根系持续获得水分供应。此外，蛭石具有较高的阳离子交换能力（CEC），能够缓慢释放钾（K）、钙（Ca）和镁（Mg）等植物所需养分，供植物长期吸收利用8。在可持续农业中，蛭石在缓解环境胁迫因素（如重金属污染）方面的作用尤为引人关注6。由于其具有较大的比表面积和对重金属的强亲和力，蛭石可吸附并固定土壤中的镉（Cd）等有毒元素，降低其在植物中的生物有效性。这不仅保护作物免受重金属毒害的不利影响，还有助于通过去除有害物质来维持土壤健康6,9。
Azospirillum brasilense 是一种著名的植物根际促生菌（PGPR），因其在多种胁迫条件下能够促进植物生长并增强植物抗逆性，已在农业科研与实践中受到广泛关注10最初从热带禾草的根际分离得到， A. brasilense 是一种自由生活的细菌，可定殖于多种作物的根部，包括小麦（Triticum aestivum L.)，与其寄主植物建立互利关系11. 主要的作用机制包括 A. brasilense 促进作物生长的方式是通过固定大气中的氮2 （氮），植物可轻易吸收并用于自身生理功能。这种生物固氮作用减少了植物生长对合成肥料的需求，有助于实现更可持续的农业实践。1,11. A. brasilense 因其能够产生吲哚-3-乙酸（IAA）而闻名，IAA 是一种植物激素，可促进根系发育；根系发育的改善有助于提高养分吸收。除具有促进生长的作用外， A. brasilense 还能增强植物对重金属毒性的耐受性12在受污染的土壤中， A. brasilense 能够调节植物的生理和生化反应，减少镉（Cd）等重金属的吸收和积累。该细菌通过多种机制实现这一作用，例如改变根系分泌物的模式、增强抗氧化酶活性，以及产生可与重金属结合的胞外聚合物，从而降低重金属对植物的有效性。13. 其潜力 A. brasilense 在现代农业背景下，减轻镉对小麦的毒性具有重要意义，因为土壤重金属污染正日益威胁作物产量和食品安全。通过利用生物的天然能力 A. brasilense，农民即使在恶劣环境中也能改善小麦作物的健康状况和产量，从而促进粮食安全与环境可持续性11,13,14.
农业土壤中镉（Cd）污染日益严重，对作物生产的可持续性构成了重大威胁，尤其对小麦等主粮作物的影响尤为突出3。镉是一种有毒重金属，不仅会抑制植物生长，还可能在作物可食用部分中积累。随着农业生产面临环境污染加剧和提高生产力的双重压力，亟需创新且可持续的策略来减轻镉等重金属对作物健康的不利影响15。蛭石与固氮螺菌（Azospirillum brasilense）联合施用为缓解小麦镉毒害提供了一种有前景的方法7,9,14,16。蛭石具有较高的阳离子交换能力和保水性能，可改善土壤结构、提高养分有效性，并降低镉等金属在土壤中的迁移性8。另一方面，A. brasilense作为一种促进植物生长的根际细菌，可通过调节根系生理、合成植物激素以及通过多种生化途径降低有毒金属的生物有效性，从而增强植物对重金属毒性的耐受能力14。将蛭石与A. brasilense整合到单一管理策略中，可发挥二者各自的优势，产生协同效应，其效果优于单独使用任一成分17。蛭石固定土壤中镉的能力，与A. brasilense增强植物抵御镉胁迫的防御机制相辅相成。此外，蛭石可通过改善土壤通气性和水分状况，为A. brasilense的生存和活性创造更有利的环境，而这些条件对于该细菌在根际的存活和功能发挥至关重要11,14。然而，蛭石与A. brasilense联合施用对镉胁迫下小麦生长及生理表现的综合影响尚未得到系统研究。
这种联合应用的必要性源于传统方法在管理镉（Cd）毒性方面的局限性。传统方法（如使用化学改良剂）通常只能提供暂时的缓解效果，且可能带来不利的环境后果。蛭石与固氮螺菌（A. brasilense）的联合使用可提供一种更可持续的解决方案，不仅能减轻镉毒性，还能改善整体土壤健康状况和植物生长，从而提高小麦的产量、生理性能和品质。目前尚未系统研究在镉胁迫条件下，蛭石与A. brasilense联合施用对小麦生长及生理表现的影响。为填补这一知识空白，本盆栽实验检验了以下假设：（H₁）施用蛭石将减少小麦组织中镉的积累，并促进生长和提高产量；（H₂）接种A. brasilense将增强生理性能（光合速率、气孔导度、叶绿素含量）并促进养分吸收；（H₃）联合施用的效果优于单独施用任一改良剂，且与更高的细菌根部定殖水平相关。本研究并不声称提供直接的田间应用指南，因为相关问题需要超出本受控实验范围的田间试验来解答。
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本研究中植物的使用遵循所有相关的本地、国家及国际准则和法规。所用试剂和设备列于材料表中。
实验设计与材料
一项盆栽实验在巴基斯坦Khwaja Fareed工程技术与信息技术大学农业工程系大楼屋顶进行（28.42° N，70.30° E），旨在研究蛭石和 Azospirillum brasilense 为减轻2023–2024年冬季小麦作物中的镉（Cd）毒性，本实验采用完全随机设计（CRD），设三个重复。试验所用小麦品种“Dilkash-20”购自拉希姆亚尔汗适应性研究农场，适宜当地种植。使用规格为1英尺×1英尺×1英尺（30.48 cm × 30.48 cm × 30.48 cm）的花盆，每盆装土12 kg。实验前在农学实验室中用70%乙醇对种子进行表面灭菌处理。种子于10日播种th 2023年11月，每个花盆中播种8粒小麦种子，并在分蘖期保留4株植株。蛭石购自当地市场，在添加土壤时以每千克土壤150克的用量混入。 Azospirillum brasilense 来自巴基斯坦拉合尔政府学院大学（GCUL），拉合尔 Azospirillum brasilense 按照Zaheer等报道的标准方法，通过种子接种在小麦作物上施用。17实验包含9种处理（T0 = 对照（无土壤改良剂，无镉毒性），T1 = 土壤中镉毒性 100 mg/kg，T2 = 土壤中镉 100 mg/kg + 蛭石，T3 = Cd 100 mg/kg 土壤 + A. brasilense，T4 = 土壤中镉 100 mg/kg + 蛭石 + A. brasilense，T5 = 土壤中镉毒性 200 mg/kg，T6 = Cd 200 mg/kg 土壤 + 蛭石，T7 = Cd 200 mg/kg 土壤 + A. brasilense，T8 = Cd 200 mg/kg 土壤 + 蛭石 + A. brasilense）。实验地点的月平均气温（°C）和湿度（%）如图所示 表1实验开始前进行了土壤分析，土壤性质如表所示 表2灌溉根据分蘖期、孕穗期、开花期和灌浆期的需求进行，肥料也按照推荐量均匀施用。灌溉通过手动使用水罐进行，每盆保持70%的土壤含水量，确保无干旱胁迫。肥料施用参照农业部门推荐用量（120-80-60 kg NPK ha⁻¹），并根据每盆容积计算实际施肥量。磷（P）和钾（K）的全部用量及氮（N）的一半用量在播种时一次性施入，剩余一半氮肥于分蘖期施用。为测定根系和地上部长度，在播种后30天进行破坏性取样，取样来自专用于早期收获的独立花盆；这些花盆不用于最终产量测定，因此早期破坏性取样不影响后期产量数据。实验的时间线示意图如下：第0天（土壤准备、Cd添加、蛭石混合、种子接种、播种），第10–30天（根系取样用于qPCR分析），第30天（根系和地上部长度测定），第85天（开花期：生理指标测定），第120天（收获：产量参数测定）。植物样品在三个时间点采集：播种后10、20和30天（DAS），分别从独立花盆中采集根系样品；在30 DAS时，另取独立花盆进行破坏性收获以测定根系和地上部长度；在85 DAS（开花期）进行非破坏性生理参数测定；在120 DAS时记录最终产量参数。用于早期破坏性取样的花盆（10–30 DAS）不再用于产量测定。
镉以氯化镉（CdCl₂•2.5H₂O，分析纯，纯度≥98%）的形式施用。根据土壤干重（每盆12 kg），计算出目标浓度为100 mg Cd kg⁻1 土壤和200 mg Cd kg⁻1 土壤所需的用量。每盆将CdCl₂溶于500 mL去离子水中，使用机械混合器与土壤充分混合15分钟，以确保镉均匀分布。混合后，将加标土壤放入带塑料衬里的盆中，在室温（25 ± 2 °C）下平衡14天，期间每隔3天混合一次，以稳定镉的形态并使其老化。平衡期间，土壤含水量维持在田间持水量的70%。平衡结束后，采集代表性土壤样品（每盆10 g），风干后用HNO₃/HClO₄（4:1, v/v）消解，并采用原子吸收分光光度计测定总镉浓度，以验证实际镉含量。实测镉浓度在100 mg kg⁻1 处理组中为98.4 ± 3.2 mg kg⁻1，在200 mg kg⁻1 处理组中为197.6 ± 5.1 mg kg⁻1，表明已达到目标水平。本研究所用蛭石的理化性质及重金属含量见表3。
| 月份 | 温度 (°C) | 湿度 (%) |
| 2023年11月 | 28 | 56 |
| 2023年12月 | 18 | 62 |
| 2024年1月 | 17 | 63 |
| 2024年2月 | 18 | 32 |
| 2024年3月 | 21 | 25 |
| 2024年4月 | 24 | 20 |
表1：2023–2024年实验地点的平均温度和湿度。
| 参数 | 数值（2023-24） |
| 有机质 | 0.56% |
| pH | 7.42 |
| EC | 227 µS/cm |
| T.S.S. | 0.54% |
| 有效磷 | 5.21 ppm |
| 有效钾 | 119 ppm |
| 饱和度百分比 | 34 |
| 土壤颗粒组成：砂粒、粉粒、黏粒（%） | 36%, 40 %, 24 % |
表2：作物播种前实验所用土壤的土壤性质。
| 性质 | 数值 | 金属 | 浓度 (mg kg⁻¹) |
| 等级 | 园艺级 | Cadmium (Cd) | < 0.01（低于检测限） |
| 粒径 | 2-4 mm | Lead (Pb) | 2.1 |
| pH (1:5 水溶液) | 7.2 | Copper (Cu) | 1.8 |
| 阳离子交换容量 (CEC) | 85.4 cmolc kg⁻¹ | Zinc (Zn) | 5.3 |
| 持水能力 (WHC) | 450% (w/w) | - | - |
| 容重 | 0.12 g cm-3 | - | - |
| 施用量 | 150 g kg⁻¹ 土壤 (15% w/w) | - | - |
| 每盆用量 (12 kg 土壤) | 1.8 kg | - | - |
表3：本研究中使用的蛭石的理化性质及重金属含量。
研究的性状
所有与植物生长相关的参数，如株高、穗长、每穗小穗数、每穗粒数、千粒重和单株籽粒产量，均采用标准方法，使用米尺和天平进行人工记录。在播种后85天的开花期进行生化分析（抗氧化酶活性测定）和生理分析（光合速率、气孔导度、叶绿素含量、电解质渗漏率（EL）、作物生长率（CGR）和叶面积指数（LAI））。在小麦植株生长30天后测量根长和地上部长度，此时在播种20天后已对植株进行间苗，每盆保留4株。使用红外气体分析仪（Cl-340）和叶绿素测定仪（CL-1）分别测定光合速率、气孔导度和叶绿素含量。电解质渗漏率（EL）根据Mussell和Staples18报道的公式，并参照Zaheer等14提出的标准方法进行测定。EL的计算公式为：EL (%) = (初始EC / 最终EC) × 100，其中初始EC为样品在25 °C下孵育24小时后的电导率，最终EC为样品在121 °C下高压灭菌20分钟后测得的电导率。
溶解性有机氮（DOC）、溶解性有机碳（DOC）和土壤有机碳（SOC）采用标准方法测定19。叶面积指数（LAI）和作物生长率（CGR）按照既定方法进行观测20。小麦植株对氮（N）、磷（P）和钾（K）的吸收量参照先前文献报道的方法进行测定21。
统计分析
本研究的所有数据均来自三次重复实验，经整理后取平均值。采用 Statistic 8.1 和 Microsoft Excel 2010 软件进行统计分析。数据通过单因素方差分析（one-way ANOVA）进行分析，随后在 p ≤ 0.05 水平下采用 Fisher 最小显著性差异（LSD）检验进行均值比较。数据/结果中标注的不同字母表示各处理间的统计学差异。
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植株高度（PH）在所有研究的处理中均受到土壤改良剂的显著影响（表4）。在 T0 处理中观察到最高的 pH 值（199.44 cm），此时无土壤改良剂添加且无 Cd 毒性；其次是 T4 处理（98.44 cm），此时土壤中 Cd 毒性为 100 mg/kg，并施加了蛭石 A. brasilense 在T5处理中，当土壤Cd毒性为200 mg/kg时，pH值最低（82.37 cm）。还观察到，随着Cd毒性增加，pH值下降；而施用蛭石后，pH值显著升高。 A. brasilense穗长（SL）随着镉毒性的增加而显著降低。对照处理（T0）的SL最高，为11.41 cm，其次为T4（10.67 cm），最低值出现在T5，为7.37 cm。每穗小穗数（NSPS）在施用蛭石和巴西固氮螺菌（A. brasilense）后有所增加。在镉胁迫条件下，两种改良剂联合施用的效果优于单独施用。NSPS最高值出现在T0（20.74），其次为T4（19.80），最低值出现在T5（12.82）。每穗粒数（NGPS）也受到所有供试处理的影响。NGPS最高值出现在T0（27.33），其次为T4（19.8...
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镉（Cd）毒性显著降低了小麦所有测定的生长和产量参数22。这种生长抑制可归因于Cd诱导的氧化应激，其会破坏细胞分裂和伸长，阻碍养分吸收，并降低光合效率。同样，在Cd胁迫下，每穗小穗数、每穗粒数、籽粒重量和单株产量均显著下降。这些发现与先前研究一致，表明Cd会影响植物的生理过程，包括养分吸收、光合作用和生物量积累9,16,22。添加蛭石（T2和T6）相较于单独Cd处理（T1和T5）改善了所有参数，表明其具有缓解Cd毒性的潜力。在100 mg/kg Cd条件下，蛭石使株高、穗长和籽粒产量分别比T1提高了4.2%、2.4%和8.9%。这些效应归因于蛭石较高的阳离子交换能力，可能固定了Cd，从而降低了其生物有效性和毒性7,22,23
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作者声明不存在任何竞争利益。在撰写本文期间，作者使用了 ChatGPT 和 Grammarly 工具以提升论文的技术性和英文语言质量。在使用这些工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和修改，并对出版物内容承担全部责任。
作者感谢沙特阿拉伯法伊萨尔国王大学研究生与科学研究副院长办公室、科学研究院长办公室为本研究提供的资金支持（资助编号：KFU263053）。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 原子吸收分光光度计（AAS） | PerkinElmer, USA | AAnalyst 800 | 土壤中镉浓度测定 |
| Azospirillum brasilense | 巴基斯坦拉合尔政府大学（GCUL） | 菌株来自GCUL菌种保藏中心 | 种子接种 |
| 氯化镉（CdCl2·2.5H2O） | Merck, Germany | CAS No. 7790-78-5 | 镉胁迫诱导 |
| 叶绿素测定仪 | 未注明 | CL-1 | 叶绿素含量测定 |
| DNeasy PowerSoil 试剂盒 | QIAGEN, Hilden, Germany | 货号 12888-100 | 根部DNA提取 |
| Excel 2010 | Microsoft, USA | 版本 14.0 | 数据整理与基础统计分析 |
| 红外气体分析仪（IRGA） | 未注明 | CI-340 | 光合速率与气孔导度测定 |
| nifH特异性引物 | 定制合成 | 序列见正文 | qPCR扩增 |
| 茚三酮 | Sigma-Aldrich, USA | CAS No. 485-47-2 | 脯氨酸含量测定 |
| QuantStudio 5 实时荧光定量PCR系统 | Applied Biosystems, USA | QuantStudio 5 | qPCR分析 |
| 分光光度计 | 未注明 | 未注明 | 脯氨酸含量测定 |
| Statistik 8.1 | Analytical Software, USA | 版本 8.1 | 统计分析（ANOVA，LSD） |
| SYBR Green Master Mix | Applied Biosystems, USA | 货号 4309155 | qPCR检测 |
| 蛭石（园艺级） | 巴基斯坦拉希姆亚尔汗当地市场 | 不适用 | 土壤改良剂 |
| 小麦品种 “Dilkash-20” | 巴基斯坦拉希姆亚尔汗适应性试验农场 | 当地批准品种 | 植物材料 |