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

香榧幼苗

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。

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。

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）。

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）。

5. PSNPs处理对萜类、苯丙素和类黄酮生物合成的影响

研究发现，差异miRNAs的靶基因富集在萜类骨架生物合成途径、苯丙烷和类黄酮生物等合成途径中，且相应的转录、蛋白和代谢水平也发生了变化。具体来说，差异表达miRNAs 的预测靶点包括三个关键的萜类骨架生物合成基因：4-羟基-3-甲基丁二烯基二磷酸还原酶 (HDR)、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶 A 还原酶 (HMGR) 和香叶基香叶基焦磷酸合酶（GGPPS）。转录组中，四个 unigenes 被注释为 HMGR，这些基因是 osa-miR164e 和 zma-miR164h-5p 的潜在靶点。GGPPS 的表达在转录和蛋白质水平上为下调，进一步分析了萜类骨架、单萜和二萜生物合成的中间代谢物，发现相较于对照组，在PSNPs处理组中，甲戊酸、马戊酸和枞酸的含量增加，香芹酮、赤霉酸和双去甲氧基姜黄素的含量减少（图6）。在苯丙素和类黄酮生物合成相关的途径中共鉴定出6个差异表达的miRNAs，其中大多数在处理组中减少，这些miRNAs的靶基因包含8个关键基因，处理组则上调了其中四种的转录表达。相较于对照组，处理组在蛋白质水平上上调了一些关键酶的表达比如花青素合成酶、黄酮醇合成酶等。在代谢物水平上鉴定出 6 种差异代谢物为苯丙素和黄酮类生物合成途径的中间产物，其中处理组中松柏醛和松柏素的含量增加（图7）。

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。