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項目文章J Hazard Mater（IF 10.588）| 多組學分析揭示香榧幼苗對納米塑料污染物的分子響應機制

2022-06-09

塑料因其良好的特性，如彈性、便攜性、可塑性、耐久性和低成本等，在生活和生產的各個領域得到了廣泛的發展和應用。隨著人們對塑料的需求增加，塑料污染越來越受到環保人士的關注。特別是微/納米塑料，已成為全球關注的新興污染物，因其粒徑小、能穿透細胞膜甚至生物屏障而受到學者們的廣泛關注。目前，微/納米塑料的生態毒性研究主要集中在海洋水生生物和淡水藻類，而對高等陸生植物特別是森林植物生態影響的研究相對較少。

2022年5月，浙江農林大學吳家勝老師團隊在Journal of Hazardous Materials（IF 10.588）上發表了題為“Multi-omics analysis reveals the molecular responses of Torreya grandis shoots to nanoplastic pollutant”的文章。該文使用植物代謝組、蛋白組、轉錄組、microRNA測序等技術系統地研究了聚苯乙烯納米塑料(PSNPs)對香榧（中國特有經濟樹種）幼苗的潛在毒性機制，為納米塑料對森林植物生長的影響提供了新的見解。中科新生命參與了該研究中植物代謝組的相關工作。

研究材料

香榧幼苗

技術路線

· 步驟1：PSNPs處理對香榧幼苗生理生化指標的影響；

· 步驟2：PSNPs處理對香榧幼苗microRNAomic的影響；

· 步驟3：PSNPs處理對香榧幼苗蛋白組的影響；

· 步驟4：PSNPs處理對香榧幼苗代謝組的影響；

· 步驟5：PSNPs處理對萜類、苯丙素和類黃酮生物合成的影響。

研究結果

1. PSNPs處理對香榧幼苗生理生化指標的影響

為了評估PSNPs脅迫對香榧幼苗的影響，作者首先用聚苯乙烯（粒徑：~100 nm，約 10 毫克/株）溶液處理幼苗，處理7天、14天、21天、28天后，分別測定抗氧化活性等生理生化指標。結果發現不同指標隨著處理時間的延長而呈現不同的變化，比如硫代巴比妥酸反應物質（TBARS）含量在處理14天后達到最高值，而H₂O₂含量在處理7天后達到最高點。過氧化氫酶 (CAT)、過氧化物酶 (POD)的活性隨著處理的時間進程而增加，而超氧化物歧化酶(SOD)的活性在不同時間點呈現動態變化（圖1）。接著作者收集處理 7天后的幼苗樣本分別做 microRNA、轉錄組、蛋白質組和代謝組分析。

圖1 PSNPs對香榧幼苗生理生化指標的影響

2. PSNPs處理對香榧幼苗microRNAomic的影響

作者對處理組和對照組的香榧幼苗進行了microRNAomes測定，過濾后得到80,282,135條clean reads，共鑒定出42個差異表達的miRNAs, 并進一步研究了差異表達的 miRNA 預測靶基因的 KEGG 富集分析，發現最顯著富集的KEGG通路是RNA聚合酶、α -亞麻酸代謝、色氨酸代謝等（圖2），同時也測定了相應的轉錄組。

圖2 PSNPs處理對香榧幼苗microRNAomic的影響

3. PSNPs處理對香榧幼苗蛋白組的影響

作者接著對處理組和對照組的香榧幼苗進行了標記蛋白組的研究，共定性到6528個蛋白質，其中定量到5360個蛋白質，通過統計分析篩選出610個差異表達蛋白(DEPs)，并進一步做了亞細胞定位、KOG、KEGG和GO分析。結果發現DEPs主要定位在葉綠體、細胞質、細胞核等6個位置，KEGG分析主要富集在“苯丙烷生物合成”、“丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸代謝”等通路上。GO分析發現許多DEPs與轉運體活性和離子跨膜轉運有關，因此作者檢測了納米塑料處理后元素含量的差異。結果表明，納米塑料處理7天后，鐵(Fe)、硫(S)和鋅(Zn)的濃度降低，鉀(K)和鎂(Mg)的濃度增加（圖3，圖4）。

圖3 PSNPs處理對香榧幼苗蛋白組的影響