Science of the Total Environment :微塑料遇到入侵植物:揭示对农业生态系统的生态危害
图文摘要 | Graphical abstract
农业生态系统是人与自然环境紧密相连的关键部分，对人类健康及自然生态平衡具有重大影响。这一系统因其固有的复杂性与脆弱性，极易受到人类活动和环境生态因素的影响。目前，随着对农产品需求的持续增长，新型环境生态威胁正对农业生态系统构成前所未有的挑战。例如，外来植物在农田中的入侵可能会严重破坏农作物的产量、质量及土壤健康。同时，作为一种新兴污染物，微塑料在农田土壤中的存在也对农作物健康构成威胁。更值得关注的是，外来入侵植物和微塑料在农业环境中可能发生交互作用，形成一种对农作物的新型复合威胁，从而对人类健康和全球粮食安全构成风险。尽管目前大量研究关注传统生态威胁对作物质量和产量的影响及其对人类健康的潜在危害，但对新型生态威胁(如入侵植物和土壤微塑料)的综合效应和对作物累积影响的研究尚不足。本研究针对外来入侵植物和土壤微塑料污染对水稻作物的单独影响及其联合影响进行了探讨，分析了其对水稻性能和代谢组学特征的影响。研究结果对于深入理解入侵植物和微塑料污染共同作用对农田作物及土壤的影响，以及其对可持续农业的发展和人类福祉的长远影响具有重要意义。
通过数据统计分析发现，不同处理对水稻叶片生物量和碳、氮、磷含量具有显著影响。如图1所示，与对照组相比，外来植物入侵处理(SI)、微塑料污染处理(MPc)和交互处理(SI×MP)均导致水稻叶片生物量明显降低，其中交互处理引起水稻叶片生物量减少幅度最大。研究结果表明，SI和MPc会抑制作物地上部分生长。
通过图2a可以看出，在MPc作用下，水稻叶片有机碳含量最高；而SI×MP作用致使水稻叶片有机碳含量最低。如图2b和2c所示，在这些不同处理作用下，水稻作物的氮、磷含量明显低于对照组。总体来看，SI×MP相较于SI和MPc，其对水稻叶片产生的不利效应最明显。
图1加拿大一枝黄花的入侵(SI)、微塑料污染(MPc)和交互处理(SI×MP)对水稻叶片生物量的影响。
图2 加拿大一枝黄花的入侵(SI)、微塑料污染(MPc)和交互处理(SI×MP)对水稻叶片营养含量的影响：(a)碳含量、(b)氮含量、(c)磷含量。
植物细胞具有一套由APX、CAT、POD和SOD等酶构成的抗氧化防御系统，且这些酶活性受到不同处理的影响(图3)。与对照组相比，在不同处理作用下，水稻叶片APX、CAT、POD、SOD和ROS活性发生明显变化。例如，SI×MP致使水稻叶片APX和CAT活性降低(图3a、b)，POD、SOD和ROS活性升高(图3c、d、e)。研究结果表明，SI×MP可能会导致水稻叶片产生氧化应激反应，干扰其抗氧化酶活性，从而危害水稻发育。
图3加拿大一枝黄花的入侵(SI)、微塑料污染(MPc)和交互处理(SI×MP)对水稻叶片抗氧化酶活性和活性氧的影响：(a)抗坏血酸过氧化物酶(APX)、(b)过氧化氢酶(CAT)、(c)过氧化物酶(POD)、(d)超氧化物歧化酶(SOD)和(e)活性氧(ROS)。
三．不同处理对水稻代谢组学特征的影响
图4 图a是偏最小二乘判别分析(PLS-DA)得分图，即对照组(CK)、加拿大一枝黄花的入侵(SI)、微塑料污染(MPc)和交互处理(SI×MP)；图b是不同代谢物的热图：不同处理下水稻叶片代谢产物的相对丰度。
图5 代谢网络，包含最重要的代谢途径。框内红色和蓝色表示代谢物含量的上调和下调；“/”表示与对照组相比，在加拿大一枝黄花的入侵(SI)、微塑料污染(MPc)和交互处理(SI×MP)下代谢物未受任何影响。线条表示两种代谢物之间的关系，箭头表示转化方向。
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总结 | Conclusions
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文章回顾
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