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项目文章 | 白色污染如何危害藻类?蛋白组学解析海洋微囊藻毒素合成释放机制

2020-06-29
中科新生命
1874

白色污染是全球关注的环境问题,废弃塑料可以降解成为带有不同电荷的微型塑料,而其中的纳米塑料能够穿透细胞,会抑制海洋生物生长、导致生殖功能障碍等,成为了重点关注对象。目前,在淡水系统中纳米塑料(<100 nm)的研究越来越多,但关于其对蓝藻水华的潜在威胁的了解却很少。之前的研究已通过增加微生物的膜通透性来评估了纳米塑料引发的后果,但是没有直接证据表明纳米塑料与微囊藻毒素之间存在相互作用。

山东大学环境科学与工程学院研究团队在《Environmental Science & Technology》(IF=7.149)杂志上在线发表了题为“Nanoplastics promote microcystin synthesis and release from cyanobacterial Microcystis aeruginosa”的研究论文,解析了纳米塑料促进铜绿微囊藻中微囊藻毒素合成与释放的过程。中科新生命有幸参与了蛋白质组学检测与数据分析工作。

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研究材料

低浓度和高浓度的氨基修饰聚苯乙烯纳米塑料(PS-NH2)处理0天、2天和10天的微囊藻绿脓杆菌

技术方法

蛋白质组学

研究路线

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研究材料

1. 表型分析:纳米塑料PS-NH2促进微囊藻毒素MC的合成和释放

为了证明纳米塑料与微囊藻毒素相关,作者用含纳米塑料的培养基培养铜绿假单胞菌,模拟塑料老化和天然有机物吸附引起的变化。通过检测分析在不同培养基中培养的铜绿假单胞菌的生长抑制速率、叶绿素a的含量、细胞微囊藻毒素的总含量以及释放速率,表明暴露在PS-NH2下会影响铜绿假单胞菌生长并促进微囊藻毒素MC的合成和释放。

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2. 定量蛋白质组学探索PS-NH2影响铜绿假单胞菌相关表型的机制

为了解析上述表型背后的分子机制,作者通过定量蛋白质组学技术,分析比较了不同浓度PS-NH2处理0天、2天和10天的微囊藻绿脓杆菌。在低浓度和高浓度处理中显著差异的蛋白质进行KEGG通路富集分析,结果表明PS-NH2可能抑制光合活性,减弱光合电子传递链,并降低碳水化合物代谢。其中,光系统II的主要蛋白PsbB、PsbC和PsbD均显著下调,表明PS-NH2显著抑制光系统II的光合效率,叶绿体的光合作用会受到影响。

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3. 生理实验与转录水平验证蛋白组数据

为了进一步验证蛋白组学的结果,研究人员首先对光系统II关键基因PsbD进行了qRT-PCR验证,结果和蛋白质组学一致。在之前的报道中,PsbD蛋白的下调会干扰电子传递,导致多余电子的积累和氧化应激。因此作者检测活性氧ROS以及超氧化物歧化酶SOD水平,结论与蛋白组学一致。与未处理的对照组相比,PS-NH2暴露后的微囊藻绿脓杆菌体内ROS和SOD水平显著升高;而保护活性氧的谷胱甘肽GSH则显著降低。说明PS-NH2诱导了氧化应激反应。

差异显著上调的ABC转运蛋白能够积极输出抗生素、多肽以及毒力因子等,因此研究人员对微囊藻绿脓杆菌进行了细胞膜通透性检测。结果表明,纳米颗粒进入细胞会使细胞膜破裂,这种膜破裂和转运体蛋白的调节可以促进细胞内物质如微囊藻毒素的释放。

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4. WGCNA分析促进微囊藻毒素合成和释放的关键蛋白

为了更好地了解微囊藻绿脓杆菌对外界不良环境的应激反应,作者对蛋白质组学数据进行加权基因共表达网络分析(WGCNA)。作者一共识别出18个共表达模块,有效的识别了3组hub蛋白。其中棕色模块的hub蛋白色氨酸合酶C(参与有机代谢途径)与细胞内微囊藻毒素的合成负相关,有机物合成减少,对绿脓假单胞菌的生长不利。为了保护细胞免受活性氧损伤,提高对PS-NH2的适应性,微囊藻毒素的合成会增加。绿色模块和蓝色模块的hub蛋白PyrG和ApcB1分别与胞外的微囊藻毒素呈正相关和负相关。PyrG和ApcB1蛋白分别和磷脂合成以及内囊体膜有关。因此PyrG蛋白的上调和ApcB1蛋白的下调可能是对细胞膜损伤的一种防御反应。因此,微囊藻毒素的合成增加是一种防御反应,可以保护细胞免受氧化损伤,增强微囊藻绿脓杆菌对纳米塑料等各种胁迫的适应能力。

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结论

作者利用蛋白质组学策略,探讨发现了PS-NH2能够抑制光系统II的效率,降低有机物的合成,并诱导氧化应激,增强微囊藻毒素的合成。此外,PS-NH2还能促进微囊藻绿脓杆菌胞外微囊藻毒素的释放,细胞膜完整性受损。表明纳米塑料的存在使得淡水生态系统可能会加剧富营养化,从而加剧对水生生态和人类健康的威胁。