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项目文章J Hazard Mater(IF 10.588)| 多组学分析揭示香榧幼苗对纳米塑料污染物的分子响应机制

2022-06-09
中科新生命
2140

塑料因其良好的特性,如弹性、便携性、可塑性、耐久性和低成本等,在生活和生产的各个领域得到了广泛的发展和应用。随着人们对塑料的需求增加,塑料污染越来越受到环保人士的关注。特别是微/纳米塑料,已成为全球关注的新兴污染物,因其粒径小、能穿透细胞膜甚至生物屏障而受到学者们的广泛关注。目前,微/纳米塑料的生态毒性研究主要集中在海洋水生生物和淡水藻类,而对高等陆生植物特别是森林植物生态影响的研究相对较少。

2022年5月,浙江农林大学吴家胜老师团队在Journal of Hazardous Materials(IF 10.588)上发表了题为“Multi-omics analysis reveals the molecular responses of Torreya grandis shoots to nanoplastic pollutant”的文章。该文使用植物代谢组、蛋白组、转录组、microRNA测序等技术系统地研究了聚苯乙烯纳米塑料(PSNPs)对香榧(中国特有经济树种)幼苗的潜在毒性机制,为纳米塑料对森林植物生长的影响提供了新的见解。中科新生命参与了该研究中植物代谢组的相关工作。

研究材料

香榧幼苗

技术路线

· 步骤1:PSNPs处理对香榧幼苗生理生化指标的影响;

· 步骤2:PSNPs处理对香榧幼苗microRNAomic的影响;

· 步骤3:PSNPs处理对香榧幼苗蛋白组的影响;

· 步骤4:PSNPs处理对香榧幼苗代谢组的影响;

· 步骤5:PSNPs处理对萜类、苯丙素和类黄酮生物合成的影响。

 研究结果

1. PSNPs处理对香榧幼苗生理生化指标的影响

为了评估PSNPs胁迫对香榧幼苗的影响,作者首先用聚苯乙烯(粒径:~100 nm,约 10 毫克/株)溶液处理幼苗,处理7天、14天、21天、28天后,分别测定抗氧化活性等生理生化指标。结果发现不同指标随着处理时间的延长而呈现不同的变化,比如硫代巴比妥酸反应物质(TBARS)含量在处理14天后达到最高值,而H2O2含量在处理7天后达到最高点。过氧化氢酶 (CAT)、过氧化物酶 (POD)的活性随着处理的时间进程而增加,而超氧化物歧化酶(SOD)的活性在不同时间点呈现动态变化(图1)。接着作者收集处理 7天后的幼苗样本分别做 microRNA、转录组、蛋白质组和代谢组分析。


图1 PSNPs对香榧幼苗生理生化指标的影响

2. PSNPs处理对香榧幼苗microRNAomic的影响

作者对处理组和对照组的香榧幼苗进行了microRNAomes测定,过滤后得到80,282,135条clean reads,共鉴定出42个差异表达的miRNAs, 并进一步研究了差异表达的 miRNA 预测靶基因的 KEGG 富集分析,发现最显著富集的KEGG通路是RNA聚合酶、α -亚麻酸代谢、色氨酸代谢等(图2),同时也测定了相应的转录组。


图2 PSNPs处理对香榧幼苗microRNAomic的影响

3.  PSNPs处理对香榧幼苗蛋白组的影响

作者接着对处理组和对照组的香榧幼苗进行了标记蛋白组的研究,共定性到6528个蛋白质,其中定量到5360个蛋白质,通过统计分析筛选出610个差异表达蛋白(DEPs),并进一步做了亚细胞定位、KOG、KEGG和GO分析。结果发现DEPs主要定位在叶绿体、细胞质、细胞核等6个位置,KEGG分析主要富集在“苯丙烷生物合成”、“丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸代谢”等通路上。GO分析发现许多DEPs与转运体活性和离子跨膜转运有关,因此作者检测了纳米塑料处理后元素含量的差异。结果表明,纳米塑料处理7天后,铁(Fe)、硫(S)和锌(Zn)的浓度降低,钾(K)和镁(Mg)的浓度增加(图3,图4)。


图3 PSNPs处理对香榧幼苗蛋白组的影响

图4 差异蛋白KEGG和GO分析

4. PSNPs处理对香榧幼苗代谢组的影响

作者使用植物代谢组学的方法研究了PSNPs处理对香榧幼苗代谢组的影响,共鉴定出 1873 种代谢物,并通过统计分析筛选出282个与PSNPs处理相关的差异代谢物 (DAMs),这些差异代谢物可分为 11个类别(图5)。


图4 差异蛋白KEGG和GO分析

4. PSNPs处理对香榧幼苗代谢组的影响

作者使用植物代谢组学的方法研究了PSNPs处理对香榧幼苗代谢组的影响,共鉴定出 1873 种代谢物,并通过统计分析筛选出282个与PSNPs处理相关的差异代谢物 (DAMs),这些差异代谢物可分为 11个类别(图5)。


图6 萜类骨架生物合成途径可视化展示

图7 苯丙素和类黄酮生物合成途径可视化展示

小结

研究表明PSNPs处理对香榧幼苗抗氧化、microRNA、转录、蛋白表达和代谢物积累等一系列化学和遗传指标均有重要影响。比如PSNPs促进了TBARS含量和CAT、POD活性,降低了铁、硫和锌的浓度,PSNPs通过调节小RNA表达和蛋白水平来调节萜类和类黄酮的生物合成途径。

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