用代謝組學(xué)解密納米顆粒緩解煙草重金屬中毒機(jī)制

文章標(biāo)題：Comparative physiological and metabolomic analyses reveal that Fe3O4 and ZnO nanoparticles alleviate Cd toxicity in tobacco
發(fā)表期刊：Journal of Nanobiotechnology
發(fā)表時間：2022.6
影響因子：10.4
合作單位：中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園
百趣生物提供服務(wù)：植物廣泛靶標(biāo)代謝組學(xué)檢測

1、研究背景
有毒重金屬因其對環(huán)境和人類健康的重大威脅而受到公眾的關(guān)注，它們嚴(yán)重影響植物的生長、質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，治理農(nóng)作物中的有毒重金屬已成為當(dāng)務(wù)之急。納米技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域，特別是在針對重金屬脅迫下的作物改良方面已經(jīng)顯示出巨大的潛力。煙草（Nicotiana tabacum L.）作為最為常用的模式植物之一，因其在花色調(diào)控研究中的重要作用被廣泛關(guān)注，而因它對Cd的耐受性被很多研究者用來研究重金屬對植物的影響。

在本篇研究中，作者詳細(xì)研究了納米顆粒介導(dǎo)的煙草對Cd脅迫耐性機(jī)制。實(shí)驗表明，Cd脅迫對煙草幼苗生長有明顯的抑制作用，而采用外源性Fe3O4和ZnO納米顆粒處理會影響植物對營養(yǎng)成分的吸收，最后作者采用百趣生物植物廣泛靶標(biāo)代謝組學(xué)技術(shù)深入分析了Fe3O4和ZnO納米顆粒介導(dǎo)煙草對Cd毒性的抗性機(jī)制。

2、研究結(jié)果

（1）不同形式的Fe及Zn對于Cd脅迫的煙草生長抑制均有緩解效果

由圖1顯然可見，Cd的脅迫處理會顯著影響煙草的株高，地上部鮮重、根長、根部鮮重等各方面。而作者分別使用了納米顆粒和離子溶液兩種形式的Fe和Zn處理Cd脅迫后的煙草，可以發(fā)現(xiàn)未脅迫條件下，F(xiàn)e和Zn對于煙草的生長均無明顯不良影響，并且在不同程度上能夠解除Cd脅迫對于煙草生長的不利影響。
 

圖1. Fe3O4和ZnO納米顆粒對煙草生長的影響
 

然而Cd作為一種重金屬毒害，其對于植物離子平衡的影響也很值得關(guān)注，為此作者對煙草的根和葉中的離子水平進(jìn)行了離子組檢測。圖2a可以發(fā)現(xiàn)Cd處理會改變植物對元素的吸收和分配，Cd處理顯著降低了根中Fe、Mn和Zn的含量，增加了Cu、Mg和K的含量。Cd處理還降低了葉片中Ca、Cu和Mn的含量，但增加了Mg的含量。Zn的處理會顯著增加葉片中Zn的含量，同時降低Ca、Cu、Mn的含量。由圖2b可知，F(xiàn)eSO4和ZnSO4會顯著降低葉片中Cd的含量，而根中的Cd含量則會因為納米ZnO處理的影響顯著降低。
 

圖2. Fe3O4和ZnO納米顆粒對煙草元素離子積累的影響
 

（2）代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)Cd處理后煙草代謝重編程現(xiàn)象的發(fā)生

通過百趣生物植物廣泛靶標(biāo)代謝組學(xué)技術(shù)作者在根和葉片中分別檢測1013種和890種代謝物，經(jīng)過差異篩選（VIP>1;P-value<0.05）,分別在根和葉中篩選到467種和287種差異代謝物，其中有131種差異代謝物在兩種部位均顯著差異（圖3a）。這些代謝物主要參與的代謝組學(xué)通路包括精氨酸脯氨酸代謝途徑、氨基酸生物合成途徑、煙酸和煙酰胺代謝途徑（圖3b、c）。
 

圖3. 不同處理間代謝產(chǎn)物的差異積累
 

進(jìn)一步分析表明，主要是生物堿、黃酮類物質(zhì)、氨基酸及其衍生物是受Cd處理影響比較大的物質(zhì)類型。其中，10種生物堿、17種氨基酸及其衍生物、16種黃酮類化合物在Cd處理的幼苗根中積累量增加，而3種生物堿、1種氨基酸及其衍生物和3種黃酮類化合物在根中的積累量減少；2種生物堿、5種氨基酸及其衍生物和13種黃酮類化合物在Cd處理的幼苗葉片中積累量增加，而2種生物堿和1種黃酮類化合物在葉片中的積累量減少（圖4a、5a）。

有一個非常驚喜的發(fā)現(xiàn)，不同形式的Fe和Zn處理均能有效恢復(fù)Cd脅迫所造成的的代謝紊亂，并且納米顆粒展現(xiàn)出了比離子溶液更好的效果，例如，F(xiàn)e3O4納米顆粒在根和葉片中分別使75個和53個物質(zhì)恢復(fù)到代謝正常，反觀FeSO4離子溶液僅使46個和51個物質(zhì)恢復(fù)到正常代謝水平；Zn也呈現(xiàn)類似的現(xiàn)象（圖4b、圖5b）。這些結(jié)果共同表明，納米顆粒在緩解鎘脅迫方面具有巨大潛力，并進(jìn)一步支持納米顆粒對鎘脅迫下生長的積極影響。

圖4. 鎘誘導(dǎo)的根中差異積累的代謝物
 

圖5.鎘誘導(dǎo)的葉中差異積累的代謝物
 

根據(jù)上文發(fā)現(xiàn)納米顆粒在緩解Cd脅迫方面有更好的效果，為了探究納米顆粒具體是通過哪些代謝物的變化來影響植株生長的問題，作者將差異代謝物與株高，地上部鮮重、根長、根部鮮重等生長指標(biāo)進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)性分析，對于地下的部分sterebin A、indole-3-acetic acid、hyperoside等物質(zhì)與根的伸長和鮮重正相關(guān)（圖6a）；而地上部分則是denudatine、catalpalactone、torachrysone 8-O-glucoside等物質(zhì)與煙草的株高和地上鮮重正相關(guān)（圖6b）。這些結(jié)果表明，代謝產(chǎn)物的變化確實(shí)對植物的生長起到了作用。
 

圖6. 生長參數(shù)與差異代謝物的相關(guān)性分析
 

（3）納米顆粒處理對煙草不同組織部位中代謝水平的改變
單獨(dú)使用Cd脅迫可以發(fā)現(xiàn)，在煙草的根和葉中會發(fā)生不同的代謝變化，比如在根中farrerol和phosphoric acid含量增加了，但是在葉中這些物質(zhì)減低了。為了更深入闡述納米顆粒對煙草不同組織部位的影響，作者針對根和葉做了進(jìn)一步分析。

Fe3O4納米顆粒的處理，使煙草在根和葉中分別增加了15個和26個差異代謝物，而在根和葉中分別減少了24個和18個差異代謝物的積累水平。值得注意的是，F(xiàn)e3O4納米顆粒的處理，增加了根中farrerol的表達(dá)量，但在葉子中該物質(zhì)降低了。

而對于Cd脅迫后的煙草樣本，F(xiàn)e3O4納米顆粒的處理，使煙草在根和葉中分別增加了10個和30個代謝組學(xué)差異代謝物，而在根和葉中分別減少了27個和18個代謝組學(xué)差異代謝物的積累水平。顯然，F(xiàn)e3O4納米顆粒的處理會對Cd脅迫后的煙草中的代謝反應(yīng)重編程。

同樣的ZnO納米顆粒的處理，會使根中上調(diào)30個物質(zhì)，葉中上調(diào)12個物質(zhì)，根和葉中則分別下調(diào)22個和17個物質(zhì)，并且在Cd脅迫的情況下發(fā)生變化。

（4）納米顆粒的處理會改變Cd脅迫下煙草的代謝途徑變化
通過前面的研究，顯然納米顆粒重編了碳/氮代謝和次生代謝的程序。因此作者進(jìn)一步分析了相關(guān)代謝通路對Cd脅迫的響應(yīng)情況。具體地說，Cd脅迫增加了煙草根中包括L-alanine、tryptophan和4-aminobutyric acid在內(nèi)的7種氨基酸及其衍生物的含量，但降低了beta-alanine。有趣的是，與未處理的對照相比，納米顆粒處理后的Cd脅迫煙草中增加了4種氨基酸(proline,4-aminobutyric acid, L-homoserine, L-threonine)和sinapyl alcohol的含量。然而，卻只有proline在葉片中的積累增加，而其他氨基酸在鎘處理后沒有受到影響（圖7）。這些結(jié)果表明，在鎘脅迫下，F(xiàn)e3O4或ZnO納米顆粒通過改變根和葉中的氨基酸代謝來促進(jìn)幼苗的生長。
 

圖7. 氨基酸相關(guān)代謝途徑對鎘脅迫的響應(yīng)
 

為了探究煙酸和煙酰胺代謝在植物對脅迫的反應(yīng)中起作用，作者同樣針對煙酸和煙酰胺類物質(zhì)的代謝組學(xué)代謝通路進(jìn)行了分析（圖8）。在根中Cd的處理增加了N1-methyl-2-pyridone-5-carboxamide、N1-methyl-4-pyridone-5-carboxamide、beta-nicotinamide mononucleotide、6-hydroxynicotinic acid而降低了N1-methylnicotinamide的表達(dá)量，同樣，納米顆粒處理增加了 Cd脅迫后N1-methyl-2-pyridone-5-carboxamide、N1-methyl-4-pyridone-5-carboxamide和beta-nicotinamide mononucleotide的水平。此外，與未處理的對照相比，Cd處理的煙草幼苗葉片中nicotinate的積累減少，而納米顆粒對其水平?jīng)]有影響。
 

圖8. 煙酸和煙酰胺代謝對鎘脅迫響應(yīng)的KEGG通路分析

3、研究小結(jié)
本研究探討了Fe3O4和ZnO納米顆粒對煙草幼苗生長和鎘響應(yīng)的影響。葉片暴露于Fe3O4和ZnO納米顆粒對緩解Cd脅迫下植物的生長具有很大的潛力。Fe3O4和ZnO納米顆粒對生物堿、氨基酸、黃酮類等關(guān)鍵代謝途徑進(jìn)行了重新編程，而參與這些途徑的差異代謝物與植物生長密切相關(guān)。這項研究能夠促使我們更了解Fe3O4和ZnO納米顆粒是如何重新編程代謝組譜的，并為使用納米顆粒改善Cd污染土壤上的煙草生長提供新的見解。
文/阿趣代謝組學(xué)