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        UV-328會破壞擬南芥(Arabidopsis thaliana)的礦物質營養平衡和次級代謝過程:將生理反應與分子機制聯系起來

        《Environmental Pollution》:UV-328 Disrupts Mineral Nutrient Homeostasis and Secondary Metabolism in Arabidopsis thaliana: Linking Physiological Responses to Molecular Mechanisms

        【字體: 時間:2026年02月28日 來源:Environmental Pollution 7.3

        編輯推薦:

          UV-328對擬南芥生長和代謝的影響:低濃度促進生長并激活抗氧化系統,高濃度抑制生長并引發膜脂過氧化。多組學分析表明UV-328通過干擾氮磷轉運蛋白NRT1.1和SPX3等分子,破壞養分穩態并重編程次生代謝物(如黃酮類、萜類)合成,揭示養分失衡是植物毒理的關鍵機制。

          
        王穎|朱雅欣|李新通|馬慶華|黃陸寬|吳冉|蔡妙珍|杜少婷
        浙江師范大學地理與環境科學學院,金華,321004,中國

        摘要:

        持久性苯并三唑類紫外線穩定劑UV-328在農業土壤中的檢測頻率日益增加,尤其是在塑料薄膜覆蓋下。由于其高疏水性和生物累積潛力,這引發了環境和生態風險評估的擔憂。在本研究中,我們利用綜合多組學和生理分析方法,系統研究了UV-328(0-150 μM)對擬南芥(Arabidopsis thaliana)的濃度依賴性影響。結果表明,50 μM的UV-328可使植物生物量增加38%,并激活抗氧化酶基因的表達;而高濃度則導致生物量減少和嚴重的膜脂質過氧化。值得注意的是,UV-328破壞了礦物營養物質的平衡,并顯著改變了次生代謝物的組成,包括黃酮類、萜類和含氮化合物。通過跨組學網絡分析和分子對接技術,我們確定了硝酸鹽轉運蛋白NRT1.1和磷傳感器SPX3是UV-328的高親和力靶點。這些發現表明,UV-328與轉運蛋白的結合是導致營養失調和代謝重編程的機制性因素,從而將營養平衡作為生態風險評估的脆弱點,并為作物保護提供了新的靶標。

        引言

        苯并三唑類紫外線穩定劑(BUVs)是一類新興污染物(Coccia和Bontempi,2023),近年來受到越來越多的關注。作為塑料產品中最常用的添加劑之一,BUVs的生產和釋放與全球塑料工業密切相關。據估計,到2027年,塑料產量將以每年6.7%的復合增長率增長(Khare等人,2023),這一趨勢將繼續推動BUVs的環境排放。目前,BUVs已在各種環境介質中被廣泛檢測到,包括地表水、沉積物、廢水和水生生物(Peng等人,2017)。其中,UV-328在化妝品和紫外線防護涂層中得到廣泛應用(Denghel等人,2021),其在土壤和沉積物中的存在也已被量化。例如,Li等人(2023b)報告在可降解薄膜覆蓋的土壤中,UV-328的平均濃度為8.04 μg kg-1;Yao等人(2024)發現,在可降解薄膜覆蓋的土壤中BUVs含量高達68.2 ng g-1 dw,在PE薄膜覆蓋的土壤中為30.0 ng g-1 dw——明顯高于未覆蓋的農業土壤(0.48 ng g-1 dw)。Zhang等人(2011)在美國薩吉諾河和底特律河的沉積物中檢測到UV-328的濃度范圍為0.72至224 ng g-1 dw。值得注意的是,空氣和灰塵中的BUVs濃度要高得多,在某些室內環境中(如北京大學的體育設施),室內羽毛球場的灰塵中BUVs的平均濃度達到11,023 ng g-1 dw ΣBUVs,遠高于籃球場(4777 ng g-1 dw)、塑料跑道(3779 ng g-1 dw)和網球場(689 ng g-1 dw)(Ling等人,2025)。由于其高疏水性(logKow = 7.25)、在環境中的持久性和生物累積特性,UV-328具有其他持久性有機污染物(POPs)的特征(Naveed等人,2025a, 2025b),包括通過塑料碎片和微塑料的長距離傳輸,從而在北極和太平洋等偏遠地區也能被檢測到(Khare等人,2023;Ling等人,2025)。Cadena-Aizaga等人(2022)對加那利群島沿海魚類的兩年監測研究表明,魚組織中的UV-328濃度為1.34–45.6 ng g-1 dw。這些屬性共同表明UV-328是一種具有廣泛生態影響的重大新興污染物。更令人擔憂的是,UV-328可能是一種內分泌干擾物(Xu等人,2025a;Zhuang等人,2017;Kubota等人,2022)。Zhuang等人(2017)證明UV-328通過CYP3A3酶介導顯著影響雄激素活性。因此,2023年5月,UV-328被正式列入《斯德哥爾摩公約》,成為首個受到全球監管的非鹵化化學品(Khare等人,2023)。這些發現強調了評估UV-328所帶來生態風險的緊迫性。
        此外,BUVs表現出明顯的植物特異性生物累積特性,例如在生菜中的根部濃度因子為47.9–464 mL g-1,在蘿卜中為194–787 mL g-1,并且在蘆葦中優先積累于地上組織(Li等人,2024a;Lyu等人,2024)。作為全球氣候穩定的關鍵調節器和人類食品安全的基本保障,植物在污染物響應研究中起著至關重要的作用。研究污染物對植物的生理和生態效應不僅對生態系統健康評估至關重要,也是環境風險管理的重要組成部分。迄今為止,關于BUVs對植物毒性的研究仍然有限,但已顯示出顯著的植物毒性。Zhu等人(2024)發現,50 μM的UV-328使擬南芥的生物量減少了38.04%,破壞了類囊體形態,并抑制了光合作用。這些發現表明UV-328顯著影響植物生長。在水稻中,UV-328下調了超過50%的葉綠素合成基因,同時上調了降解基因。BUVs增強了糖酵解和三羧酸(TCA)循環的活性,加速了碳代謝流,但同時抑制了抗氧化能力(Liu等人,2024)。Chen等人(2023)研究了水稻在暴露于UV-328(1–50 μg L-1)14天后的生長變化。他們的結果顯示,20 μg L-1和50 μg L-1濃度下,水稻干重分別減少了6.30–12.3%和10.4–20.4%。研究還指出,BUVs競爭性地抑制了Ca2+依賴的蛋白激酶(CDPKs),從而阻礙了氣孔關閉機制,導致植物水分過度流失,降低了抗旱能力。作為食物鏈的基礎,植物通過根部和葉片吸收BUVs,成為這些污染物進入陸地生態系統的主要途徑之一。與鄰苯二甲酸鹽和多溴聯苯醚類似,BUVs可能由于其親水性通過木質部進入根系并運輸到地上組織(Liu等人,2024)。因此,BUVs可能通過食物鏈傳播,對生態系統健康和人類食品安全構成威脅。然而,UV-328是否改變植物營養物質的積累尚待探索。
        植物營養平衡是維持正常生長和發育的核心因素,對生理功能和應激反應至關重要(Ullah等人,2024)。例如,氮是合成蛋白質、葉綠體和遺傳物質的關鍵元素(Fathi,2022),而鉀調節細胞滲透壓(Anil Kumar等人,2024)。此外,營養物質的可用性和組成與次生代謝物的類型和水平密切相關(Olsovska等人,2024),后者在植物抗逆性中起著關鍵作用(Yang等人,2018;Selwal等人,2023)。例如,重金屬脅迫常常通過競爭性吸收抑制或轉運障礙導致必需元素(如Fe、Zn、Ca)的失衡(Li等人,2023a;Mohamed等人,2025)。關鍵營養素的缺乏(如Fe、Zn)可能將碳流從初級途徑重新導向次級途徑,促進酚類、黃酮類和萜類的合成,以增強ROS清除和抗逆性(Xue等人,2022;Lilay等人,2024)。同時,Ca2+信號作為感知營養擾動和化學脅迫的關鍵第二信使,參與次生代謝物的生物合成(例如,苯丙氨酸氨裂解酶參與酚類的合成)(Ikram等人,2025)。此外,有機污染物(如多環芳烴PAHs)可增強硝酸鹽還原酶(NR)的活性,加速硝酸鹽還原為氨,提高谷氨酸水平,從而促進脯氨酸的積累,作為非酶促抗氧化劑增強植物的抗逆性(Molina和Segura,2021)。盡管研究表明BUVs在生物體中引起多種毒性效應,包括內分泌干擾、生殖毒性和神經毒性,這些效應主要通過AHR途徑激活、氧化應激和脂質代謝干擾等機制介導(Ling等人,2025),但關于UV-328對植物次級代謝過程的影響以及其與植物營養調節潛在相關性的具體研究仍缺乏。考慮到礦物營養平衡與次級代謝在化學脅迫下的相互作用,我們假設暴露于新興污染物UV-328可能會破壞植物的礦物營養積累和平衡,從而觸發代謝重編程,包括次生代謝物組成的改變。這種反應可能代表了一種適應機制,以減輕UV-328引起的氧化應激和植物毒性。因此,研究UV-328暴露對植物營養平衡和次級代謝網絡的影響具有重要的科學和實踐意義。
        本研究旨在通過分析生理和生化指標(如葉綠素含量、氧化損傷標志物)及營養元素譜型,全面評估UV-328對植物生長的影響。通過整合轉錄組學、代謝組學和分子對接的多組學方法,我們闡明了UV-328影響植物營養代謝的關鍵信號通路及其與次生代謝物變化的關聯。值得注意的是,這是首次證明UV-328通過特異性干擾營養轉運蛋白(如NRT1.1、SPX3、GORK)來破壞次級代謝網絡,從而確定了營養失調的分子靶點,并為其植物毒性機制提供了關鍵見解。

        部分摘錄

        化學品

        UV-328(CAS:25973-55-1,純度>98%)購自J&K Scientific Ltd.(北京,中國),其結構如圖S1所示。二甲基亞砜(DMSO,CAS:67-68-5,純度≥99.9%)由Solarbio Life Science Co.(北京,中國)提供,用作UV-328的溶劑。

        植物培養和處理

        擬南芥種子用25% NaClO表面消毒5分鐘后,用無菌水徹底沖洗,然后接種到含有0.247%(w/v)1/2 MS基礎鹽的瓊脂固化培養基上(不含...

        UV-328對擬南芥生長和氧化應激反應的濃度依賴性影響

        為了系統評估UV-328的生態毒性效應,我們首先研究了其對擬南芥生長的濃度依賴性影響。結果表明,UV-328具有顯著的濃度依賴性效應(圖1)。具體而言,50 μM的UV-328處理顯著促進了植物生長,表現為葉片增大和根系更發達;而100 μM的處理則表現出與對照組相似的表型。相反,150 μM的處理導致葉片顯著變小...

        結論

        本研究表明,UV-328在擬南芥中表現出濃度依賴性的劑量效應:低劑量下促進生長,高劑量下則抑制生長,這是通過破壞礦物營養平衡和重編程次級代謝實現的。具體來說,UV-328抑制了黃酮類和萜類物質的合成,同時誘導了含氮防御化合物的產生,將植物毒性與營養失調聯系起來。多組學網絡分析和分子對接技術識別出多個...

        CRediT作者貢獻聲明

        蔡妙珍:撰寫 – 審稿與編輯。杜少婷:撰寫 – 審稿與編輯、監督、資金獲取。王穎:撰寫 – 初稿、研究、數據管理。朱雅欣:撰寫 – 初稿、研究、數據管理。李新通:數據管理。馬慶華:數據管理。黃陸寬:數據可視化、軟件應用。吳冉:數據可視化、軟件應用

        未引用的參考文獻

        Dawood和Azooz,2019;dba BotkinChemie和Madison,2021;Ishida和Corcino,2022;Jan等人,2023;Kozak等人,2022;Lajayer等人,2017;Livigni等人,2019;Pilon等人,2011;Schmidt等人,2020。

        利益沖突聲明

        作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。

        數據可用性

        數據可應要求提供。

        利益沖突聲明

        ? 作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。

        致謝

        作者感謝國家自然科學基金(42307040;42277010)和浙江省自然科學基金(LTGN24D010001)的支持。
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