科研| SCI TOTAL ENVIRON：利用代谢组学分析黄瓜对PFOA胁迫的响应（国人佳作）
编译：寒江雪，编辑：谢衣、江舜尧。
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了解全氟辛酸（PFOA）对植物的毒性机理，对今后农业土壤中PFOA的风险评估具有重要的意义。本研究将黄瓜栽培在0,0.2和5mg/kg PFOA的土壤中生长60天。收获期间对黄瓜的污染物积累、生物量、光合作用和代谢产物进行了测定。结果表明，PFOA导致黄瓜的生物量降低，并在叶片中积累量最高。光合作用分析表明两种浓度的PFOA均降低了黄瓜叶片的叶绿素含量和净光合速率。GC-MS非靶向代谢组学研究表明PFOA诱导黄瓜叶片代谢发生变化，主要包括酚类物质的上调（0.2和5 mg/kg）和氨基酸的下调（5 mg/kg），这些物质的变化表明了氮碳代谢的紊乱。PFOA通过下调光合色素和干扰碳水化合物、酚类和氨基酸的代谢来抑制植物生长。本研究为了解植物对PFOA胁迫反应的分子机制提供了有价值的信息。
论文ID
原名：Response of cucumber (Cucumis sativus) to perfluorooctanoic acid in photosynthesis and metabolomics
译名：黄瓜对全氟辛酸处理后的光合作用和代谢组学的响应
期刊：Science of the Total Environment
IF：5.589
发表时间：2020.3
通讯作者：孙媛媛
通讯作者单位：南京大学地球科学与工程学院
实验设计
本研究选择黄瓜品种中农28号F1作为实验材料，分别种植于对照组PFOA 0mg/kg，低浓度组PFOA 0.2mg/kg和高浓度组PFOA 5mg/kg的土壤中，生长60天后取其根，茎和叶。对所有组织样本分别进行生物量，14C活性分析和光合作用指标测定。对叶片进行GC-MS非靶向代谢组学分析，分析对照组与处理组的差异代谢物及其所在代谢通路。
实验结果
1 14C标记的化合物积累与黄瓜生物量
研究人员采用14C放射性示踪技术追踪植物组织中PFOA的吸收和转运。低浓度的PFOA仍在植物中检测到残留（图1）。PFOA处理的各组织中均检测到14C标记的化合物，在叶片中含量最高，其次是根和茎。在PFOA处理的土壤生长的黄瓜的平均生物量低于对照组（图2）。但0.2和5mg/kg处理间的生物量差异不显著，说明除了剂量效应外，还有一些其他因素影响黄瓜的生长，或者植物通过一些调节减轻了PFOA的毒性。根系浓度因子（RCF、根系放射性/土壤放射性）为11.3-17.4，茎转移因子（TF、植物放射性/根系放射性）为0.78-0.83，叶片TF为3.28-5.41。本研究证实了黄瓜对PFOA具有较高的积累和转运的能力。
2黄瓜对PFOA的光合响应
叶片中PFOA的积累会影响叶绿素含量和光合作用。与对照组相比，PFOA显著降低了光合色素（Chl a、Chl b和Caro）的含量（图3）。通过气体交换分析评估了光合作用对PFOA胁迫的响应。PFOA处理的细胞二氧化碳浓度（Ci；图4B），叶片的蒸腾速率（Tr；图4C）和气孔导度（Gs；图4D）均无明显差异，而净光合速率（Pn；图4A）显著下降。且在0.5和5mg/kg处理间差异不显著。因此，PFOA处理导致黄瓜生物量下降可以用叶绿素含量降低和Pn降低来解释。
3黄瓜对PFOA的代谢响应
上述生理变化可能是由细胞内代谢发生变化导致的结果，所以研究人员通过GC-MS对黄瓜叶片进行代谢组学分析。PCA分析发现低浓度PFOA组（0.2mg/kg）与对照组无明显差异，而高浓度PFOA组（5mg/kg）与对照组在第一主成分（PC1）上明显分离，PC1解释了总方差的23.8%。不同浓度PFOA之间没有明显的分离（图5A）。PLS-DA分析显示不同浓度PFOA组与对照组均明显分离，且呈剂量依赖性（图5B）。这说明种植于PFOA土壤会改变黄瓜叶片中的代谢物分布。根据VIP值筛选出35个对照组和处理组间差异代谢物（图5C）。其中，酚类物质和天然氨基酸相关代谢物变化显著（p<0.05），表明全氟辛酸通过干扰黄瓜体内碳和氮的代谢，从而引起了氧化应激反应。
表1和表2分别总结了0.2和5 mg/kg PFOA中，由PLS-DA的VIP值和t检验p值确定的差异代谢物。在191种化合物中，分别有9种和23种代谢物的相对丰度分别在0.2和5mg/kg PFOA的作用下显著变化。其中抗氧化相关代谢物水平上调表明即使是低浓度的PFOA也会引起氧化胁迫，因此植株通过提高酚类化合物的合成来应对这种胁迫。另一个显著变化是在5mg/kg的PFOA时，许多天然氨基酸被下调，包括天冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、苯丙氨酸和脯氨酸等（表2），说明PFOA干扰了初生氮的代谢。谷氨酸是高等植物氨基酸代谢的中心分子，调节氨的同化，也是叶绿素合成的前体。因此谷氨酰胺和谷氨酸的减少可以解释叶绿素含量的减少（图3）。苯丙氨酸是抗氧化剂次级代谢产物的前体。苯丙氨酸的减少表明抗氧化防御途径的激活，这与酚类物质的上调的结果一致。天然氨基酸是蛋白质的组成部分，因此它们的减少可能会抑制蛋白质生物合成，从而抑制植物生长，使得生物量减少（图2）。
与0.25mg/kg相比，5mg/kg的PFOA引起了碳水化合物的变化。植物细胞壁是抵御非生物胁迫的第一道屏障。而碳水化合物作为植物细胞壁的重要组成部分，在植物抵抗非生物胁迫中发挥着重要作用。PFOA处理后，发现其他含氮化合物的变化，表明PFOA影响了黄瓜叶片中氮和碳库的重新分配。
表1低浓度PFOA对黄瓜叶片代谢产物的影响
4 受PFOA干扰的通路
低浓度PFOA（0.2mg/kg）引起淀粉和蔗糖代谢、糖酵解或糖异生、氨基糖和核苷酸糖代谢三种生物途径的紊乱（表3）。这些受干扰的途径都与糖代谢有关，表明在PFOA胁迫下碳固定的变化。相反，在高浓度PFOA（5mg/kg）时，淀粉和蔗糖代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢变化并不显著。高PFOA干扰了异喹啉生物碱的生物合成途径产生生物碱，生物碱是植物抵御病原生物和食草动物不可缺少的化合物。还影响了四种与氨基酸代谢密切相关的生物途径，包括苯丙氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、酪氨酸代谢和丙酮酸代谢。这些代谢途径是氮和碳水化合物代谢的核心，为高浓度PFOA如何抑制黄瓜植株的生长和营养提供了解释。低浓度下反应的代谢途径表明为防御反应，而高浓度下影响的特定途径反映了主要效应的结果，表明了分子水平上的毒性原因。这与本研究结果一致，即低浓度的PFOA诱导黄瓜叶片的主动防御反应（表1），而高浓度的PFOA则使黄瓜叶片中的天然氨基酸下调（表2）。表明植物体内碳水化合物、酚类和氨基酸的代谢紊乱在黄瓜对PFOA胁迫的反应中起着重要作用，也是导致光合作用和生物量最终下降的原因。
讨论
本研究提供了对黄瓜对PFOA暴露的反应的见解。研究结果表明，0.2和5mg/kg的PFOA对黄瓜有明显的毒性症状和生长抑制作用。光合作用谱和代谢组学分析表明，PFOA对植物的胁迫包括抑制光合色素和速率，激活抗氧化酚类物质，抑制内源氨基酸的代谢。这些发现为了解植物对非生物胁迫反应的分子机制提供了有价值的信息。
评论
本研究以黄瓜（Cucumis sativus）为模式植物，在0、0.2、5mg/kg浓度下，用放射性标记的PFOA-[1-14C]（14C-PFOA）在土壤中进行栽培。测定了生物量、PFOA吸收和光合作用等生理生化指标。GC-MS为基础的叶片代谢分析也为深入了解PFOA诱导植物胁迫的潜在机制提供了依据。研究结果对于表征这些材料在环境中的风险以及开发PFOA毒性生物标志物都是重要的信息。
原文网址：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138257