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(shí)間：2022.6
影響因子：10.4
合作單位：中國(guó)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(cè)

1、研究背景
有毒重金屬因其對(duì)環(huán)境和人類(lèi)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(zhǎng)、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(duì)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(duì)Cd的耐受性被很多研究者用來(lái)研究重金屬對(duì)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(duì)Cd脅迫耐性機(jī)制。實(shí)驗(yàn)表明，Cd脅迫對(duì)煙草幼苗生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，而采用外源性Fe3O4和ZnO納米顆粒處理會(huì)影響植物對(duì)營(yíng)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(duì)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(duì)于Cd脅迫的煙草生長(zhǎng)抑制均有緩解效果

由圖1顯然可見(jiàn)，Cd的脅迫處理會(huì)顯著影響煙草的株高，地上部鮮重、根長(zhǎng)、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(duì)于煙草的生長(zhǎng)均無(wú)明顯不良影響，并且在不同程度上能夠解除Cd脅迫對(duì)于煙草生長(zhǎng)的不利影響。
 

圖1. Fe3O4和ZnO納米顆粒對(duì)煙草生長(zhǎng)的影響
 

然而Cd作為一種重金屬毒害，其對(duì)于植物離子平衡的影響也很值得關(guān)注，為此作者對(duì)煙草的根和葉中的離子水平進(jìn)行了離子組檢測(cè)。圖2a可以發(fā)現(xiàn)Cd處理會(huì)改變植物對(duì)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(huì)顯著增加葉片中Zn的含量，同時(shí)降低Ca、Cu、Mn的含量。由圖2b可知，F(xiàn)eSO4和ZnSO4會(huì)顯著降低葉片中Cd的含量，而根中的Cd含量則會(huì)因?yàn)榧{米ZnO處理的影響顯著降低。
 

圖2. Fe3O4和ZnO納米顆粒對(duì)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(guò)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(cè)1013種和890種代謝物，經(jīng)過(guò)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(lèi)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(lèi)型。其中，10種生物堿、17種氨基酸及其衍生物、16種黃酮類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)化合物在葉片中的積累量減少（圖4a、5a）。

有一個(gè)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(gè)和53個(gè)物質(zhì)恢復(fù)到代謝正常，反觀FeSO4離子溶液僅使46個(gè)和51個(gè)物質(zhì)恢復(fù)到正常代謝水平；Zn也呈現(xiàn)類(lèi)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(duì)鎘脅迫下生長(zhǎng)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(guò)哪些代謝物的變化來(lái)影響植株生長(zhǎng)的問(wèn)題，作者將差異代謝物與株高，地上部鮮重、根長(zhǎng)、根部鮮重等生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)性分析，對(duì)于地下的部分sterebin A、indole-3-acetic acid、hyperoside等物質(zhì)與根的伸長(zhǎng)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(duì)植物的生長(zhǎng)起到了作用。
 

圖6. 生長(zhǎng)參數(shù)與差異代謝物的相關(guān)性分析
 

（3）納米顆粒處理對(duì)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(huì)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(duì)煙草不同組織部位的影響，作者針對(duì)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(gè)和26個(gè)差異代謝物，而在根和葉中分別減少了24個(gè)和18個(gè)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(duì)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(gè)和30個(gè)代謝組學(xué)差異代謝物，而在根和葉中分別減少了27個(gè)和18個(gè)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(huì)對(duì)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(huì)使根中上調(diào)30個(gè)物質(zhì)，葉中上調(diào)12個(gè)物質(zhì)，根和葉中則分別下調(diào)22個(gè)和17個(gè)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(huì)改變Cd脅迫下煙草的代謝途徑變化
通過(guò)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(duì)Cd脅迫的響應(yīng)情況。具體地說(shuō)，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(duì)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(méi)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(guò)改變根和葉中的氨基酸代謝來(lái)促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)。
 

圖7. 氨基酸相關(guān)代謝途徑對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)
 

為了探究煙酸和煙酰胺代謝在植物對(duì)脅迫的反應(yīng)中起作用，作者同樣針對(duì)煙酸和煙酰胺類(lèi)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(duì)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(duì)其水平?jīng)]有影響。
 

圖8. 煙酸和煙酰胺代謝對(duì)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(duì)煙草幼苗生長(zhǎng)和鎘響應(yīng)的影響。葉片暴露于Fe3O4和ZnO納米顆粒對(duì)緩解Cd脅迫下植物的生長(zhǎng)具有很大的潛力。Fe3O4和ZnO納米顆粒對(duì)生物堿、氨基酸、黃酮類(lèi)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(zhǎng)密切相關(guān)。這項(xiàng)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(zhǎng)提供新的見(jiàn)解。
文/阿趣代謝組學(xué)