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編者按：在八桂大地的校園深處，安靜的實(shí)驗(yàn)室里，藏著一個(gè)個(gè)“科研寶藏”。那里沒(méi)有閃閃發(fā)光的金銀，卻蘊(yùn)藏著可能改變一個(gè)產(chǎn)業(yè)、造福一方百姓的智慧密鑰。從今天起，《廣西日?qǐng)?bào)》教育版“深探”欄目推出“走進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)室”系列報(bào)道，帶您探尋廣西高校那些“有意思”的科研難題背后，更“有意義”的突破與閃光。
首期，我們聚焦一個(gè)“珍貴的煩惱”：廣西擁有全國(guó)最大的連片富硒土壤，但伴生的重金屬鎘卻讓這份饋贈(zèng)宛如“帶刺的玫瑰”。如何“揚(yáng)硒抑鎘”，曾是產(chǎn)業(yè)難題。
廣西大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)從土壤中找到一位“微生物工匠”，巧妙地重組了水稻根部的“鄰里生態(tài)”，從而實(shí)現(xiàn)了“提純抑害”的精準(zhǔn)調(diào)控。這項(xiàng)研究不僅是破解自然密碼的智慧，更是把論文寫(xiě)在大地上的生動(dòng)實(shí)踐。
讓我們一起走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，看他們?nèi)绾斡每茖W(xué)守護(hù)碗中糧、點(diǎn)亮土中金。
韋燕燕（左二）指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)成員觀(guān)察細(xì)菌生長(zhǎng)情況。
想象一下，你家里有個(gè)祖?zhèn)鞯木蹖毰?，里面既有能讓你健康長(zhǎng)壽的金色寶石（硒），也混雜著一些有毒的黑色鐵釘（鎘）。你想取出寶石，卻又害怕被鐵釘所傷。怎么辦？
這正是廣西部分地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的一個(gè)真實(shí)寫(xiě)照。
“以前看著大片富硒土壤卻不敢放心種稻，現(xiàn)在有了LB2菌株，有望能讓好土地產(chǎn)出安全糧！”在位于廣西大學(xué)土化樓的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院韋燕燕副教授興致勃勃介紹起最近的研究成果。近期，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)湯葉濤教授團(tuán)隊(duì)合作，成功找到一株芽孢桿菌LB2，可以一邊活化土壤中的硒，將難以被植物吸收的硒釋放出來(lái)給植物吸收，一邊鈍化土壤中的鎘，把容易被植物吸收的鎘鈍化成難以被植物吸收的形態(tài)，實(shí)現(xiàn)水稻富硒降鎘。
實(shí)驗(yàn)室里的培養(yǎng)皿中，這株被稱(chēng)為L(zhǎng)B2的芽孢桿菌，或?qū)⒊蔀槠平飧晃寥馈安貙氹y取”困境的鑰匙，為富硒水稻安全種植帶來(lái)全新可能。
位于培養(yǎng)皿中的芽孢桿菌LB2。
全國(guó)最大的富硒寶地，也有“先天不足”
你或許不知道，廣西是全國(guó)最大的富硒寶地。
2021年自治區(qū)自然資源廳發(fā)布的廣西土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)工作結(jié)果顯示，廣西初步圈定富硒土壤分布面積7.57萬(wàn)平方公里，相當(dāng)于1.14億畝，居全國(guó)首位。更難得的是，這些富硒土壤不是零星分布，而是連片分布。
這不僅是自然的饋贈(zèng)，也解釋了為何廣西擁有全國(guó)最多的“長(zhǎng)壽之鄉(xiāng)”。硒，這個(gè)被譽(yù)為“長(zhǎng)壽元素”的微量元素，正靜靜地蘊(yùn)藏在廣闊田野中?！斑@讓包括大米在內(nèi)的不少富硒農(nóng)產(chǎn)品物以‘硒’為貴，有了更高的產(chǎn)值?！睆V西農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所副所長(zhǎng)、廣西富硒農(nóng)業(yè)研究中心主任劉永賢說(shuō)。
然而，硬幣有它的另一面。
包括廣西在內(nèi)的我國(guó)南方天然富硒土壤廣泛存在“先天不足”——重金屬鎘含量常常超標(biāo)，且土壤硒的有效性低。偏偏前者還是危害健康的重金屬污染物。
富硒土壤為何會(huì)有這樣的“先天不足”？
“土壤中廣泛存在硒鎘伴生，大多非人為造成，而是成土過(guò)程中的天然硬傷。”劉永賢解釋。尤其在石灰?guī)r多的區(qū)域，這些巖石會(huì)慢慢溶解，剩下的不溶物質(zhì)又會(huì)繼續(xù)風(fēng)化形成土壤，這個(gè)過(guò)程會(huì)同時(shí)產(chǎn)生硒和鎘。另外，廣西的土壤里常見(jiàn)一種鐵錳礦物，它像“吸附劑”一樣，會(huì)同時(shí)把硒和鎘都吸在土壤里。
更棘手的是，水稻作為亞洲主要糧食作物，其對(duì)鎘的吸收能力極強(qiáng)，堪稱(chēng)“情有獨(dú)鐘”。這意味著，想要在富硒土壤上種出“硒多鎘少”的大米，得經(jīng)過(guò)土壤篩選、質(zhì)量檢驗(yàn)等“重重關(guān)卡”，這讓不少稻農(nóng)深受困擾。
“市面上的富硒大米為何價(jià)格會(huì)偏高？就是這些困擾造成的。”韋燕燕告訴記者，要種出合格富硒大米，有葉面噴施阻隔劑、施用土壤調(diào)理劑、篩選和培育低積累品種水稻等幾種主流方案。但這些方案都有各自的短板，比如葉面噴施限制條件多且效果不穩(wěn)定；土壤調(diào)理劑或鈍化劑雖然可以鈍化鎘，卻常常無(wú)法兼顧硒的活化；而篩選培育低積累品種的研發(fā)周期長(zhǎng)，還可能伴隨產(chǎn)量偏低、口感不佳等問(wèn)題。
因此，對(duì)于已經(jīng)存在的、硒鎘共存的耕地，如何安全利用，把資源優(yōu)勢(shì)變成安全、高值的農(nóng)產(chǎn)品，而不是棄之不用或冒著風(fēng)險(xiǎn)種植，成了廣西發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵考驗(yàn)。
LB2菌株在硒鎘伴生土壤中的作用機(jī)制圖解。 （受訪(fǎng)者供圖）
不起眼的細(xì)菌，卻身懷絕技
如何讓水稻多富集硒、少吸收鎘，種出安全又富硒的優(yōu)質(zhì)大米？這一難題，長(zhǎng)期困擾著相關(guān)領(lǐng)域的科研人員。
“有沒(méi)有一種辦法，既能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)‘活硒鈍鎘’，研發(fā)周期又不至于太長(zhǎng)？”在這一領(lǐng)域深耕十余年，韋燕燕科研團(tuán)隊(duì)把目光轉(zhuǎn)向了土壤中的細(xì)菌等微生物。
研究的起點(diǎn)是精準(zhǔn)的“土壤偵探”工作。研究團(tuán)隊(duì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域土壤中硒和鎘含量均較高，但種出的大米卻能達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn)且不超標(biāo)?！拔覀兺茰y(cè)是微生物在其中起作用?！表f燕燕說(shuō)。
于是，研究團(tuán)隊(duì)從富硒區(qū)水稻根際這一“前沿陣地”分離微生物，且設(shè)定了清晰的篩選標(biāo)準(zhǔn)：兼具“活硒”與“鈍鎘”的雙重能力。
“歷時(shí)兩年多開(kāi)展試驗(yàn)，我們最終從廣西富硒稻田的根際土壤中，成功分離出一種‘天賦異稟’的細(xì)菌——芽孢桿菌LB2。”韋燕燕介紹，該菌株不僅能讓土壤中的硒活躍起來(lái)，轉(zhuǎn)化為水稻可吸收的形態(tài)。同時(shí)還能將土壤中的鎘鈍化，也就是把活躍、可移動(dòng)的鎘，轉(zhuǎn)化為不活躍、難移動(dòng)的形態(tài)，阻止其被水稻吸收。
看著培養(yǎng)皿里不起眼的細(xì)菌，究竟是如何實(shí)現(xiàn)“活硒鈍鎘”的？
“你可以把它想象成一個(gè)派駐到水稻根系的‘全能管家’，擁有智能‘開(kāi)鎖’和‘關(guān)鎖’兩項(xiàng)核心技能?！表f燕燕進(jìn)一步解釋?zhuān)@是一個(gè)從宏觀(guān)現(xiàn)象深入到微觀(guān)分子機(jī)制的研究過(guò)程。
“開(kāi)鎖”技能，即它能分泌出特殊的胞外代謝物質(zhì)，這些代謝物來(lái)自色氨酸和嘌呤代謝過(guò)程，就像一把生物鑰匙，能夠“溶解”土壤中不能被水稻直接吸收的“固態(tài)硒礦”，將其轉(zhuǎn)化為可吸收的“離子態(tài)硒”；“上鎖”技能剛好相反，它能牢牢吸附固定住土壤中的游離鎘離子，并形成穩(wěn)定復(fù)合物，給有毒的鎘“戴上鐐銬”，從根源上阻止鎘被水稻吸收。
盆栽試驗(yàn)表明了這位“管家”的高效：在硒、鎘濃度為0.6mg/kg和1.2mg/kg的土壤中接種LB2菌株后，水稻生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)顯著改善。與對(duì)照組相比，水稻籽粒中硒含量提高20%～23%，鎘含量則降低18.3%～36.6%。
LB2的厲害之處還不止于此。研究團(tuán)隊(duì)成員、廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院博士潘國(guó)飛告訴記者，研究還發(fā)現(xiàn)，LB2菌株就像是一位極具領(lǐng)導(dǎo)力的“項(xiàng)目經(jīng)理”，一旦入駐水稻根際這個(gè)“微建筑工地”，就能通過(guò)代謝物招來(lái)其他微生物，發(fā)動(dòng)“協(xié)同作戰(zhàn)”，徹底改變那里的生態(tài)環(huán)境，達(dá)成促進(jìn)水稻富硒降鎘的目的。
例如，它能讓擅長(zhǎng)鐵呼吸和硫酸鹽呼吸的微生物功能得到強(qiáng)化，這些微生物會(huì)加速土壤中氧化物轉(zhuǎn)化，使土壤硒的有效性最高提升36%，讓鎘的有效性最高降低17.69%。此外，它還可能通過(guò)嘌呤代謝產(chǎn)物招募更多功能微生物，共同打造“富硒降鎘聯(lián)盟”。
研究團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)展水稻栽培實(shí)驗(yàn)。黃海珠 攝
從實(shí)驗(yàn)室到田野，真正為水稻賦硒
該研究成果頗具意義。
其首次明確了芽孢桿菌LB2通過(guò)胞外代謝產(chǎn)物介導(dǎo)硒礦溶解與鎘吸附的生理機(jī)制，填補(bǔ)了“功能菌株—代謝產(chǎn)物—硒鎘形態(tài)轉(zhuǎn)化”關(guān)聯(lián)研究的空白。同時(shí)，研究創(chuàng)新性地揭示了根際微生物組重組是驅(qū)動(dòng)水稻富硒降鎘的核心路徑，為解析土壤—微生物—植物系統(tǒng)中硒鎘協(xié)同調(diào)控的生物地球化學(xué)過(guò)程提供了全新理論視角。LB2菌株可通過(guò)驅(qū)動(dòng)微生物影響根際代謝產(chǎn)物，進(jìn)而激活土壤硒并固定鎘，無(wú)需化學(xué)藥劑即可實(shí)現(xiàn)水稻富硒降鎘。該研究還充分解析了LB2菌株的作用機(jī)制，這一系統(tǒng)性作用機(jī)制的揭示，為類(lèi)似土壤重金屬污染治理提供了重要參考。
其深深扎根于廣西的現(xiàn)實(shí)需求。廣西早已提出打造“中國(guó)富硒農(nóng)業(yè)之都”的奮斗目標(biāo)，富硒大米、富硒茶等產(chǎn)品也已頗具規(guī)模。然而，產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展必須以安全為基石。LB2菌株及其揭示的“重塑微生物組”技術(shù)路徑，恰好為解決硒鎘伴生這一核心矛盾提供了全新的、綠色的、高效的生物解決方案。
這項(xiàng)突破，價(jià)值遠(yuǎn)不止于服務(wù)本地。根據(jù)2023年1月自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局正式發(fā)布的《國(guó)家土地地球化學(xué)質(zhì)量報(bào)告（2022）》，我國(guó)富硒的土地占比達(dá)16%，在全國(guó)各?。▍^(qū)、市）均有一定分布，適宜于發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)產(chǎn)品附加值，促進(jìn)鄉(xiāng)村振興?！霸摮晒麨槲覈?guó)南方酸性土壤區(qū)富硒水稻綠色生產(chǎn)及農(nóng)用地稻田土壤安全利用提供了一套新的‘內(nèi)源’方案與思路。”劉永賢說(shuō)。
不過(guò)，該成果目前只是在盆栽實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，距離大規(guī)模應(yīng)用，還需經(jīng)過(guò)田間開(kāi)展長(zhǎng)期試驗(yàn)。未來(lái)，科研團(tuán)隊(duì)在驗(yàn)證其長(zhǎng)期穩(wěn)定性后，可通過(guò)企業(yè)合作等方式，將細(xì)菌制成可直接面向農(nóng)戶(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化菌劑產(chǎn)品。
“我們希望，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室里的科學(xué)發(fā)現(xiàn)能盡快走向田野，讓遍布全國(guó)的‘健康寶藏’真正純凈、安全地惠及千家萬(wàn)戶(hù)?！表f燕燕說(shuō)。
■記者手記
農(nóng)之所盼 我之所向
顧醒航
7.57萬(wàn)平方公里，相當(dāng)于1.14億畝，這兩個(gè)沉甸甸的數(shù)字，是廣西富硒土地的家底——面積連片分布，居全國(guó)首位。硒作為“長(zhǎng)壽元素”，本是“物以‘硒’為貴”的農(nóng)業(yè)富礦，卻因土壤中硒鎘伴生的“先天不足”陷入困境：稻農(nóng)辛苦種出的大米鎘含量常超標(biāo)，只能整批廢棄。
采訪(fǎng)中最觸動(dòng)我的，是韋教授實(shí)驗(yàn)室里那些跨越時(shí)光的堅(jiān)守。實(shí)驗(yàn)室外的走廊上，掛著十幾年前的研究成果。韋教授告訴記者，她們團(tuán)隊(duì)從2013年開(kāi)始從事富硒農(nóng)業(yè)相關(guān)的研究，一屆又一屆學(xué)生來(lái)了又走，卻都接過(guò)了同一個(gè)接力棒。這一次發(fā)現(xiàn)的LB2菌株，也是好幾屆師生在田間地頭奔走、在實(shí)驗(yàn)室“蹲守”的成果。
韋教授說(shuō)，在廣西，還有許許多多和她們一樣的科研團(tuán)隊(duì)，都在朝著讓富硒農(nóng)業(yè)真正落地生根、提質(zhì)增效的目標(biāo)發(fā)力。我感到，科研的溫度就是把農(nóng)人的期盼，變成研究者的接力奔跑。那些在培養(yǎng)皿中靜靜生長(zhǎng)的LB2菌株，承載的是科研人“讓好土地產(chǎn)安全糧”的追求。所謂科研擔(dān)當(dāng)，大抵就是“把論文寫(xiě)在祖國(guó)大地上”的執(zhí)著，是“農(nóng)之所盼，我之所向”的初心。
《廣西日?qǐng)?bào)》版面截圖。
