煙草葉片對兩種多溴聯(lián)苯醚的響應與適應機制

　　https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.128012

　　多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）作為一種具有良好熱穩(wěn)定性的溴化阻燃劑，在世界范圍內(nèi)被廣泛應用于塑料制品、電子產(chǎn)品和建筑材料等領域。PBDEs很容易釋放到水、土壤、大氣等環(huán)境中。PBDEs具有持久性、親脂性、難降解和易于生物濃縮等特點，嚴重危害植物、動物和人類健康。

　　在眾多PBDEs中，十溴聯(lián)苯醚（BDE209）是使用廣泛的，約占PBDEs總量的70%，因其完全溴化，毒性低；四溴聯(lián)苯醚（BDE47）不僅使用廣泛，而且易在生物體中富集，具有更大的毒性。

　　目前，針對PBDEs對植物的毒性研究已經(jīng)取得了一定的進展，但系統(tǒng)的毒性機理研究，尤其是引起植物毒性的分子機制還很缺乏，關于植物如何適應PBDEs的研究更是少之又少。近期，東北林業(yè)大學生科院孫廣玉教授課題組以應用廣泛但毒性不同的兩種多溴聯(lián)苯醚BDE47和BDE209為研究對象，研究其對煙草生長、葉綠素合成、光合電子傳遞鏈、激素信號轉導和ROS代謝等生理過程的影響，并利用生理和轉錄分析技術首次揭示了相關基因表達的變化，全面系統(tǒng)地闡述了BDE47和BDE209對植物的毒害作用及其分子機制，為深入了解PBDEs對植物的毒性機理和植物適應PBDEs污染的機制提供了一些基礎數(shù)據(jù)。

　　該研究中使用英國Hansatech公司生產(chǎn)的M-PEA-2多功能植物效率分析儀和FMS-2葉綠素熒光儀測定了不同處理的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP曲線）和葉綠素熒光參數(shù)。研究結果“The phytotoxicity of exposure to two polybrominated diphenyl ethers (BDE47 and BDE209) on photosynthesis and the response of the hormone signaling and ROS scavenging system in tobacco leaves”發(fā)表在Journal of Hazardous Materials（IF=10.5886）雜志上。

　　生長抑制是植物在逆境下直觀的表現(xiàn)之一。該研究中，煙草經(jīng)過BDE47和BDE209處理之后，總體表現(xiàn)是葉片變小變黃，毒性更強的BDE47對地上生物量造成的傷害顯著高于BDE209。

　　圖1 BDE47和BDE209處理下煙草植株表型(A)、葉長(B)、葉寬(C)、地上生物量(D)、地下生物量(E)

　　煙草在經(jīng)過處理之后葉片變黃的主要原因是葉綠素含量的下降。BDE47和BDE209均導致Chl a+b顯著下降，但兩者作用不同。煙草葉片中的Chl a對BDE47更敏感，而BDE209主要抑制Chl b的合成。結合轉錄組分析發(fā)現(xiàn)，BDE47處理之后，28個葉綠素合成相關的基因表達顯著下調(diào)，BDE209則造成24個基因表達下調(diào)。其中，BDE209抑制了Chl b合成途徑關鍵酶葉綠素a加氧酶（CAO）基因的表達，進而抑制Chl b的合成。

　　圖2煙草葉片Chla、Chlb、Chla+b、Chla/b含量變化和葉綠素合成基因表達的熱點圖

　　葉綠素含量的下降將直接影響植物對光能的捕獲。本研究中，與對照相比，暴露于BDE47和BDE209后差異顯著的KEGG途徑是光合作用天線蛋白（map00196）。BDE47和BDE209均顯著下調(diào)構成LHC蛋白的基因表達，其中，BDE47造成的危害高于BDE209，且兩者對LHCⅡ的影響大于LHCⅠ。

圖3 BDE47和BDE209處理煙草葉片KEGG途徑富集化分析

　　光合作用是對脅迫敏感的過程之一。與大多數(shù)非生物脅迫類似，PBDEs脅迫也會降低植物的光合作用能力。BDE47降低了PSⅡ和PSⅠ的活性（Y(Ⅱ)、PIABS、PItotal、ΔI/Io均顯著下降，VJ和VK均顯著增加），但沒有導致顯著的光抑制（Fv/Fm無顯著變化）；BDE209只顯著降低了Y(Ⅱ)和ΔI/Io，顯著增加VJ，但PIABS、PItotal、Fv/Fm和VK無顯著變化。兩者處理后，Y(NPQ)均顯著增加。表明，BDE47和BDE209降低了PSⅡ的活性，但是沒有導致光抑制，主要是調(diào)節(jié)性非光化學能量耗散Y(NPQ)增加起了作用。

　　圖4 BDE47和BDE209處理下煙草葉片快速葉綠素熒光動力學曲線（OJIP曲線）和葉綠素熒光參數(shù)的變化

　　結合轉錄組分析發(fā)現(xiàn)，在光合作用電子傳遞過程中，BDE47影響的光合作用相關的DEG數(shù)量顯著高于BDE209，這些DEG均為表達下調(diào)，且PSI相關的DEG數(shù)量顯著高于PSII。BDE47和BDE209還顯著上調(diào)了玉米黃質(zhì)合成途徑關鍵酶-β-胡蘿卜素羥基酶（BCH）的基因表達，有助于玉米黃質(zhì)的合成，促進葉黃素循環(huán)，啟動調(diào)節(jié)性能量耗散，保護煙草葉片的光合作用機制。

　　圖5 BDE47和BDE209處理下煙草葉片光合作用天線蛋白和光合作用電子傳遞蛋白關鍵基因表達熱點圖

　　煙草經(jīng)BDE47和BDE209處理后，葉片中的ROS顯著增加?？寡趸富钚缘奶岣吆拖嚓P基因表達的上調(diào)有助于清除過量的ROS，防止BDE47和BDE209處理可能引起的過度氧化損傷。

　　圖6 BDE47和BDE209處理下煙草葉片ROS、抗氧化酶活性變化和ROS清除酶基因表達的熱點圖

　　在逆境條件下，植物體內(nèi)會累積大量脯氨酸（Pro），不僅維持滲透平衡，還可清除ROS。本研究中，煙草經(jīng)BDE47和BDE209處理后，葉片中Pro的含量均顯著增加。結合轉錄組分析發(fā)現(xiàn)，煙草暴露于BDE47和BDE209后，與Pro合成途徑相關的基因表達上調(diào)，與Pro降解途徑相關的基因表達下調(diào)，葉片中Pro含量顯著增加，以應對PBDEs的脅迫。

　　圖7 BDE47和BDE209處理下煙草葉片脯氨酸Pro含量及其相關基因表達的熱點圖

　　脫落酸ABA和茉莉酸JA作為植物激素，不僅參與植物的生長調(diào)控，還可提高植物對逆境的適應能力。本研究中，煙草暴露于BDE47和BDE209后，涉及ABA和JA合成途徑的部分基因表達上調(diào)，促進ABA和JA的合成；ABA和JA激素信號轉導通路的激活則更進一步加強了ABA和JA對煙草適應PBDEs的調(diào)控能力。

　　綜上所述，BDE47和BDE209對煙草生長均有抑制作用，其中BDE47的影響更顯著。BDE47和BDE209主要影響煙草的光合作用、植物激素合成與信號轉導以及對脅迫的響應等代謝過程。