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摘要：本研究探讨了TiO2 NPs ( 0 ~ 1000 mg L-1)对紫花苜蓿碳( C )和氮(
N )代谢的双重影响。结果表明， 500
mg L-1 TiO2 NPs ( Ti-500 )的植物毒性最高；并且显著提高了可溶性总糖、淀粉、蔗糖和蔗糖磷酸合成酶。相比之下， Ti-100增强了N代谢酶活性。RNA - seq分析显示Ti-100和Ti-500中分别有4265和2121个差异表达基因(
DEGs )。在Ti-100和Ti-500中分别鉴定到904和844个差异表达蛋白(
DEPs )。通过生理、转录和蛋白质组学分析，观察到与碳/氮代谢、光合作用、叶绿素合成、淀粉和蔗糖代谢以及光合生物C固定相关的DEGs和DEPs。总之，低浓度的TiO2NPs可以提高光合作用和碳氮比调控，但高浓度会引起毒性。这对于纳米颗粒在农业上的安全应用具有重要价值。
文 章 信 息
译名：生理学、转录组学和蛋白质组学的整合揭示了紫花苜蓿( Medicago sativaL. )暴露于二氧化钛纳米颗粒的碳和氮代谢反应
发表时间：2024年06月07日
期刊IF：12.2（2023）
第一单位：中国教育部农业与农产品安全国际联合研究实验室
通讯单位：中国教育部农业与农产品安全国际联合研究实验室
文 章 亮 点
1.合理施用NPs可显著改善紫花苜蓿的生长特性、叶绿素含量、光合气体参数、气孔开度、离子平衡、渗透平衡、细胞膜完整性和抗氧化防御系统。
2. 由于与适应NPs胁迫相关的最终生物学过程在很大程度上依赖于蛋白质的活性，因此通过比较蛋白质组分析来大规模筛选响应NPs的蛋白质至关重要。
文 章 简 介
1 研究意义
纳米颗粒(
NP )污染是一个重大的全球性环境问题。然而，紫花苜蓿( Medicago sativa L. ) 是目前世界上种植最广泛的多年生豆科牧草，且对二氧化钛纳米颗粒( TiO2 NPs )的分子响应有限。因此，本研究旨在探讨TiO2纳米颗粒是否会改变苜蓿碳氮代谢的分子调控过程，为评价TiO2纳米颗粒的生态毒理学和环境安全性奠定了理论基础。2 研究方法
2.1植物生长条件和TiO2 NPs处理
本研究选择4周后的幼苗在0、50、100、200、500和1000
mg L−1 TiO2 NP处理下生长（分别为CK、Ti-50、Ti-100、Ti-200、Ti-500和Ti-1000）。每组有三个生物学重复，每个重复包括五株植物。在第40天，使用液氮收集样品并保存在−
80 ° C下进行进一步分析。2.2试验方法
主要涉及的试验方法：光合作用的测定、叶片超微结构测定、氮代谢测定、碳代谢测定、营养品质的测定以及转录组和蛋白组分析。3 研究结果
3.1 TiO2纳米颗粒对光合作用的影响
Ti-100处理的净光合速率最大，与对照相比，Ti-500净光合速率降低了35.82%（图1A）。在图1B中，Ti-50 ~ Ti-200处理中的H2O传导率与CK相似，但没有显著差异。Ti-500处理的H2O传导率显著低于对照。在图1C中，Ti-200 ~ Ti-1000处理显著提高了胞间CO2浓度。Ti-1000处理达到最大值，比CK相比增加20.43%。随着TiO2纳米颗粒浓度的增加，Trmmol呈下降趋势，在Ti-200 ~ Ti-1000处理中显著低于CK（图1D）。值得注意的是，与CK相比，较低浓度（约200 mg L−1）的TiO2纳米颗粒对Chl
a和Car没有显著影响，而Ti-500处理中的Chl
a、Chl
b和Car含量分别被显著抑制了27.51%、20.68%和53.91%（图1 E、F和H）。3.2 TiO2纳米颗粒对氮代谢的影响
NR、GS、GOGAT和GDH的活性倾向于先升高后降低，被较高浓度（≥500 mg L-1）的TiO2纳米颗粒显著抑制（图2A-D）。与对照相比，Ti-500和Ti-1000中的NR活性分别降低了18.38%和23.06%（图2A）。对于Ti-50 ~ Ti-200，GS活性分别比对照提高了3.26%、14.68%和5.54%；而Ti-500和Ti-1000中的GS活性分别降低了10.10%和13.28%（图2B）。GOGAT和GDH的灵敏度与GS相似（图2C和D）。在Ti-50和Ti-100处理下分别使GOGAT活性增加5.93%和9.83%，Ti-500和Ti-1000处理下GOGAT的活性分别比CK降低25.01%和30.27%（图2C）。GDH在Ti-100和Ti-200中增加10.38%和6.59%，相反在Ti-500和Ti-1000中分别降低了28.52%和30.47%（图2D）。这些酶的活性增强解释了NN和AN的变化，而所有浓度（50-1000
mg L-1）的TiO2纳米颗粒均未显著影响NN和AN（图2 E和F）。此外，TN和SP含量在100 mg L-1时达到最大值（图2G和H）。![]()
3.3 TiO2纳米颗粒对碳代谢的影响
苜蓿幼苗的DM在Ti-100中增加了14.60%，在Ti-1000中降低了17.93%（图3A）。如图3B-F所示，与CK相比，Ti-50没有显著影响TS、ST、Glu、Fuc和Suc含量。然而，TS、ST、Glu、Fuc和Suc被Ti-100显著增加（图3B-F）。与对照相比，TiO 2 NPs胁迫（≥500 mg L−1）显著降低了Glu、Fuc和Suc（图3D-F）。此外，暴露于TiO 2纳米颗粒以经典的剂量依赖性方式（50-500 mg L−1）增加TS、ST和Suc，最大分别增加42.44%、20.00%和16.61%（图3B、C和F）。与对照相比，在所有TiO2纳米颗粒浓度（50-1000 mg L-1）下处理的SPS活性分别显著增加5.49%、8.35%、11.04%、16.14%和18.97%（图3G）。随着TiO2纳米颗粒浓度的增加，而降低SS、AI和NI的活性（图3 H-J）。![]()
3.4 TiO2纳米颗粒对营养品质的影响
纳米材料对苜蓿碳氮代谢的影响最终体现在对产量和品质的影响上。如图4A和图B所示，Ti-500和Ti-1000显著降低了叶片的糖和CP。与CK相比，Ti-100显著增加了Ca和灰分，而在较高浓度（Ti-500和Ti-1000）下，与CK相比显著降低（图4C和D）。Ti-100中的纤维和脂肪水平略有增加。在Ti-100和Ti
500中未观察到纤维、P和脂肪的显著减少（图4 E-G）。Ti-500和Ti-1000中的NDF分别比对照显著高104.45%和104.11%（图4 H）。与CK相比，Ti-100中的ADF降低1.5%，Ti-1000中增加2.0%（图4
I）。在图4J-K中，Ti-100中的三个重要品质指标（鲜重、DDM和RFV）的性状分别提高了1.13%、1.01%和1.92%；并且在Ti-500和Ti-1000的处理中观察到鲜重和RFV的显著降低。结果表明，TiO2纳米颗粒对苜蓿的毒性具有浓度依赖性：低浓度（Ti-50和Ti-100）的TiO2纳米颗粒无毒，但高浓度（Ti-500和Ti-1000）的TiO2纳米颗粒会降低苜蓿的营养品质。3.5 TiO2纳米颗粒对叶片超微结构的影响
为了进一步研究TiO2纳米颗粒的植物毒性作用，使用TEM分析叶片中TiO2纳米颗粒的吸收和分布（图5）。CK和Ti-100处理组细胞和细胞器形态完整，结构清晰。叶绿体数量丰富，质膜完整，基粒和淀粉粒可见。线粒体结构完整，嵴清晰可见。而Ti-500处理的叶绿体和线粒体肿胀，叶绿体模糊，线粒体内部结构混乱。此外，Ti-100和Ti-500处理的叶片中存在TiO2纳米颗粒。![]()
3.6 转录组和蛋白组分析
在CK与Ti-100的比较中鉴定了2640个上调和1985个下调的DEGs（图6A和B）。在CK与Ti-500的DEG比较中，940个下调，1181个上调。比较这两组，上调表达基因的水平高于下调表达基因，并且一些核心基因普遍表达（844个上调和629个下调），表明两种TiO2纳米颗粒处理具有一定的相似性。对于DEPs，在CK与Ti-100和CK与Ti-500的比较中，分别识别出904（443下调和461上调）和844（456下调和388上调）个蛋白质（图6C和D）。![]()
3.7 DEGs的富集分析
在CK与Ti-100的比较中，GO分析揭示了2640个上调的DEG在生物过程（BP）中富集，包括糖原分解代谢过程、蛋白质折叠等过程（图7A）。而1985个下调的DEGs则富集于精胺生物合成过程、亚精胺生物合成过程、昼夜节律、生长素激活的信号通路等(图 7B）。在KEGG分析中，CK与Ti-100比较中许多上调的DEGs与核糖体相关（图8A）；与植物昼夜节律、碳代谢和丙酮酸代谢相关的基因在CK与Ti-100比较中的下调基因中高度存在（图8B）。CK与Ti-500比较中1181个上调的DEGs富含糖原分解代谢过程、多糖分解代谢等过程（图7 C）；而940个下调的DEGs富集在精胺生物合成过程、亚精胺生物合成等过程（图7D）。KEGG分析表明，DEGs的富集途径包括甘油脂代谢、淀粉和蔗糖代谢等（图8 C）；而下调的DEGs则在植物昼夜节律、光合合成生物的碳固定、精氨酸和脯氨酸代谢、类胡萝卜素生物合成等（图8D）。![]()
3.8 DEPs的富集分析
GO分析显示，Ti-100和Ti-500处理中的DEPs涉及：BP类别中的代谢过程、细胞过程和单一或生物体过程； CC类别中的细胞、细胞器和膜；MF类别中的催化活性、结合和转运活性（图9A和B）。KEGG分析显示Ti-100和Ti-500中的DEPs在碳代谢和光合作用中富集（图9 C和D）。在CK与Ti-100的比较中，DEPs分别在碳代谢、乙醛酸代谢等过程中富集（图9 C）。在CK与Ti-500的比较中，DEPs参与碳代谢、光合作用、糖酵解/糖酵解、戊糖磷酸途径、光合作用或光合作用中的碳固定、乙醛酸和二羧酸代谢以及淀粉和蔗糖代谢途径（图9D）。因此，我们集中在光合生物的碳固定，淀粉和蔗糖代谢，碳代谢和氮代谢进行进一步的分析。4 讨论
海藻糖-6-磷酸合成酶（Trehalose-6-phosphate synthase，THP）是海藻糖合成过程中的关键酶之一。上调的DEGs（MS.gene94481和MS.gene039328）编码海藻糖-6-磷酸合酶，在海藻糖的合成中发挥作用，这有助于维持渗透稳态。综合研究结果表明，TiO2纳米颗粒通过光合作用产生的不同可溶性糖（Suc、Glu和海藻糖）的积累和ST的分解来改善渗透调节。这种增强的渗透调节有助于提高苜蓿对纳米颗粒的耐受性。基于形态学、生理学、转录组学和蛋白质组学分析结果，我们得出结论：TiO2纳米颗粒诱导苜蓿碳、氮代谢发生了显著变化，这是TiO2纳米颗粒的双重作用所引起的。具体而言，C/N代谢、光合作用、淀粉和蔗糖代谢以及卟啉和叶绿素代谢等途径在这方面起着关键作用。5 结论
TiO2纳米颗粒对紫花苜蓿具有浓度依赖性光毒性。Ti-100提高了光合作用（Photo、Ci和Chl含量）、C同化物（TS、ST、Fuc和Suc）和N酶活性（GS、GOGAT和GDH），从而积极改善了C平衡。因此，100 mg L-1的TiO2纳米颗粒促进了苜蓿的生长以及同化物向营养器官的分配和积累。然而，500和1000
mg L-1的TiO2纳米颗粒对苜蓿表现出明显的毒性作用，导致C和N代谢平衡以及光合作用的破坏。此外，转录组和蛋白质组分析表明，TiO2纳米颗粒主要影响C/N代谢、光合作用、淀粉和蔗糖代谢和卟啉和叶绿素代谢的途径。这些研究结果表明了纳米颗粒对作物的潜在风险，为发展环境安全和减轻环境中的纳米污染提供了理论依据。Reference：
Zhao Chen, Mengli
Han, Zhipeng Guo, Yuxi Feng, Yuxia Guo, Xuebing Yan. An integration of
physiology, transcriptomics, and proteomics reveals carbon and nitrogen metabolism
responses in alfalfa (Medicago sativa L.) exposed to titanium dioxide
nanoparticles. Journal of Hazardous Materials, 2024, 474, 134851.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134851
本期分享来自2024级草学专业硕士研究生刘月
