项目文章｜转录组学和代谢组学联合揭示微塑料胁迫对葡萄生长的影响机制

英文标题：Visual observation of polystyrene nano-plastics in grape seedlings of Thompson Seedless and assessing their effects via transcriptomics and metabolomics

发表时间：2024.8

发表期刊：Journal of Hazardous Materials

IF：12.2

通讯作者：钟海霞（新疆农业科学院园艺作物研究所）

微纳米塑料颗粒(MNPs)是一种普遍存在的环境污染物，通常被定义为直径小于5毫米的塑料颗粒或小于100纳米的纳米塑料。随着人类经济活动和塑料产品使用的不断增加，微（纳米）塑料污染已成为全球性的环境问题，其广泛分布在土壤和水体中，对生态系统和人类健康构成了潜在威胁。

在农业生态系统中，微（纳米）塑料的毒理学效应表现为对重金属和有机污染的吸附与化学添加剂的浸出。已有研究表明微（纳米）塑料可以通过多种方式进入植物根部，并经过蒸腾作用迁移至植物地上部分，影响植物的生理特性和代谢途径。目前关于微（纳米）塑料对植物影响的研究主要集中在农作物中，而对水果作物却鲜有关注。

为了阐明微（纳米）塑料影响水果作物的生理效应和机制，本研究以无籽葡萄为研究对象，通过荧光标记和电镜观察表征了聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs)在葡萄幼苗中的积累和迁移，并结合转录组和代谢组初步揭示了葡萄幼苗响应PS-NPs胁迫的生理生化影响及其分子机制，为植物环境塑料污染暴露风险评价和农业食品产品质量安全保证提供了科学依据。贝纳基因在该研究中承担了转录组和代谢组的测序及分析工作。

选取无籽葡萄品种Thompson Seedless种子，经10%次氯酸钠消毒洗净后置于MS培养基中诱导发芽，生长至幼苗阶段时转移至3% Hoagland营养液中进行水培。随后选取发育良好的葡萄幼苗置于浓度为50mg/L的荧光标记PS-NPs溶液中暴露培养。15天后，收集幼苗根尖、茎段和叶柄用于荧光检测和电镜观察以及抗氧化酶系活性和丙二醛含量测定，同时收集叶片用于转录组测序和非靶代谢组检测。

1. PS-NPs在葡萄幼苗中的积累和迁移

通过激光共聚焦显微镜观察，在接触100 nm荧光标记PS-NPs15天后，在葡萄根表面和内部结构中均检测到强烈的荧光信号（图1A），对葡萄根系横纵切面的显微结构观察发现，PS-NPs在根冠和初生根-侧根连接处显著累积（图1B~C）。扫描电镜结果显示，在处理组中PS-NPs纳米球附着在叶柄、茎段和根尖的细胞壁上（图2A~G）。这表明PS-NPs可以通过根表皮-皮层界面被吸收累积，并沿着木质部导管向上迁移运输。

图1~2：PS-NPs在葡萄幼苗中的积累和迁移

2. PS-NPs诱导氧化应激反应并激活抗氧化酶

在不利条件下，植物细胞中的ROS水平通常会显著增加，导致氧化应激反应。为了解PS-NPs处理对葡萄幼苗的生理生化影响，比较不同处理之间活性氧的积累情况发现，处理组的丙二醛MDA、过氧化氢H2O2和超氧阴离子O2-浓度更高。与对照组相比，处理组MDA含量增加了6.7%，直接反映细胞膜遭受了氧化损伤；H2O2增加了18.7%，表明氧化应激持续加剧；而O2-作为一种活性氧种，其增加表明细胞内部发生了初始氧化应激反应（图3）。这些结果表明PS-NPs处理在葡萄幼苗中引发了显著的氧化应激反应。

图3：PS-NPs诱导氧化应激反应并激活抗氧化酶

3. 葡萄幼苗响应PS-NPs胁迫的转录代谢差异

转录组分析显示，与对照组相比，处理组有2643个基因存在显著差异表达（图4A）。GO富集分析发现，差异表达基因主要在细胞组分类别中富集，推测可能是由于PS-NPs引起的氧化应激导致了细胞膜损伤，进而引起了与膜相关基因表达变化以抵御应激，此外差异表达基因还参与对刺激的反应和脂质代谢等过程（图4B）。KEGG通路分析显示，差异表达基因主要参与植物激素信号转导、碳水化合物代谢、植物-病原体相互作用、黄酮和萜类生物合成等（图4C）。非靶代谢组检测分析鉴定到9698种差异代谢物，主要参与果糖和甘露糖代谢（可能与调节能量供给和碳水化合物代谢有关）、酚基丙氨酸途径及其产物（可调节抗氧化酶活性和激素水平抑制氧化应激）、黄酮类化合物合成（与抗重金属和旱等非生物胁迫有关）等代谢通路(图5)。以上结果表明，葡萄幼苗可能通过激活生物学防御机制、清除ROS和解毒机制以及调节相关代谢物来增强防御和适应性，以应对PS-NPs胁迫。

图4~5：葡萄幼苗响应PS-NPs胁迫的转录代谢差异

4. 葡萄幼苗响应PS-NPs胁迫的分子机制初步解析

转录组和代谢组关联分析表明，葡萄幼苗受到PS-NPs胁迫时，差异表达基因和差异代谢物主要富集在植物激素信号转导、植物-病原体相互作用、黄酮和黄酮醇生物合成以及MAPK信号通路等代谢通路中（图6A~B）。进一步分析发现与激素相关的基因如生长素响应基因（IAA17、SAUR32和GH3.1）和赤霉素合成相关基因（GA2ox3和GA3ox1）显著下调，推测PS-NPs处理严重影响光合作用和细胞分化，进而抑制植物生长；而茉莉酸介导的信号通路调控和脱落酸激活相关的基因（如TIFY/JAZ和HB）显著上调，推测这些基因可能参与植物防御机制。此外，与真菌和细菌源分子反应相关的基因，如MYB（Vitvi14g01960）、WRKY （Vitvi04g00511）和抗病蛋白（Vitvi12g01804）也显示出显著变化。同时MAPK信号通路中的基因（Vitvi18g01004和Vitvi17g04078）的表达变化，可能影响植物细胞状态和功能，增强细胞抗氧化能力。以上结果可以初步解析葡萄幼苗响应PS-NPs胁迫的分子机制：PS-NPs处理可能直接或间接影响代谢物积累的变化，激活相关基因的表达，促进相应防御物质的合成，从而调节葡萄的抗氧化反应和ROS清除机制（图6C）。

图6：葡萄幼苗响应PS-NPs胁迫的分子机制初步解析

本研究通过表型观察、生理测定、转录组和代谢组多组学联合分析，揭示微纳米塑料颗粒可以被种植于水培环境中的葡萄幼苗吸收和转运，并诱导幼苗产生氧化应激，促进相应代谢物的累积，激活相关基因的表达，以调节葡萄幼苗的防御和解毒机制。本研究不仅有助于揭示微纳米塑料颗粒在植物中扩散的潜在影响，也为生态风险评估提供宝贵的科学依据和数据支持。

参考文献：

Zhang S, Zhang F, Cai L, et al. Visual observation of polystyrene nano-plastics in grape seedlings of Thompson Seedless and assessing their effects via transcriptomics and metabolomics[J]. Journal of Hazardous Materials, 2024: 135550.

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135550

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