科研 | 北京交通大学：全氟辛酸和全氟辛烷磺酸复合处理对莴苣根系代谢的影响（国人佳作）
编译：寒江雪，编辑：Emma、江舜尧。
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在受污染的农田的许多农产品中都检测到了全氟烷基物质和多氟烷基物质(PFAS)。根系是植物吸收和积累PFAS的主要器官，但PFAS对根系代谢调节的影响尚不清楚。本研究采用代谢组学方法研究了不同浓度(500、1000、2000和5000 ng/L)的全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)对莴苣的影响。其中许多关键代谢物，如抗氧化剂、脂质、氨基酸、脂肪酸、碳水化合物、亚麻酸衍生物、嘌呤和核苷等都发生了显著变化。PFOA和PFOS改变了根中的酪氨酸代谢、嘌呤代谢、异喹啉生物碱的生物合成和萜类骨架的生物合成。5000 ng/L暴露可扰乱三羧酸循环，根中抗氧化防御通路的激活、碳氮代谢的重新分配、能量代谢和嘌呤代谢的调节都被重新构建。莴苣对提高对全氟辛烷酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)的耐性采用调整膜组成、提高无机固氮和呼吸作用、蔗糖积累和信号分子调控多种策略。本研究结果为植物根系对PFAS暴露的响应提供了分子见解，并为PFAS在环境中的风险评估提供了重要信息。
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实验设计
本研究设置5个分组，包括1个对照组和4个处理组，处理组分别含有不同浓度的PFOA和PFOS (分别为500、1000、2000和5000 ng/L)。生长28天后，取其叶片和根部组织，每组8次重复。对所取样本分析对照组和处理组PFOA和PFOS含量，脂质过氧化与矿物元素及代谢组的分析，探究PFOA和PFOS暴露后莴苣根系代谢的影响及毒性响应机制。
实验结果
1. 莴苣根系对全氟辛酸和全氟辛烷磺酸的吸收
在PFOA和PFOS联合暴露4周后，莴苣根系中PFOA的浓度为61.5g/gdw~473.8 ng/g干重（dw），PFOS的变化范围为138.1~620.5 ng/g dw（图1I）。莴苣根系PFOA (R2=0.968，p=0.011)和PFOS (R2=0.972，p=0.009)的累积与剂量呈线性关系，这与它们在莴苣叶片中的生物积累趋势一致。莴苣根中丙二醛(MDA)的平均浓度随PFOA和PFOS暴露水平的增加而增加（图1II）。与对照组相比，5000 ng/L处理组MDA显著升高32.3%。丙二醛是多不饱和脂肪酸氧化的最终产物，是氧化应激和脂质过氧化的指标。在PFOA (~725molmolF−/L) PFOS (~50 mg/L)的暴露下，植物体内H2O2过量产生，丙二醛含量增加。
2. 氟辛酸和全氟辛烷磺酸对矿物元素的影响
各处理组对莴苣根系中K、Ca、Na、Mg、Mn、Mo含量均有显著影响（表1）。与对照组相比，500~2000 ng/L组Ca降低10.0%~43.2%，5000 ng/L组Ca增加17.2%。Mg在500~2000 ng/L浓度范围内下降10.0%~36.5%，5000 ng/L浓度下上升4.2%。500 ng/L和1000 ng/L暴露时，Mn浓度分别降低54.7%和48.8%，5000 ng/L时，Mn浓度升高56.8%。PFOA和PFOS的暴露改变了根中矿质离子的吸收网络，可能是因为过量的活性氧调节了植物体内矿质营养的新陈代谢。
表1 不同浓度PFOA和PFOS对莴苣根系矿质元素含量的影响
3. 全氟辛酸和全氟辛烷磺酸对莴苣根系代谢产物的影响
在图1III中，500和1000 ng/L暴露组沿着PC1的正方向与对照组分开。相反，2000和5000 ng/L处理组均沿PC1负向与对照组分离。主成分分析结果表明，根系对PFOA和PFOS胁迫的代谢反应不是浓度依赖性的，可解释总变异性的21.2%。这与PFOA和PFOS处理下根系矿质元素的变化是一致的（表1）。在图1IV中，所有的处理组都明显地与对照组分开。在试验浓度下，PFOA和PFOS显著影响莴苣根系的代谢。PLS-DA分析表明，PFOA和PFOS对莴苣根系代谢的调节不是浓度依赖性的。筛选出VIP值大于1的代谢物于韦恩图。分别在500、1000、2000和5000 ng/L暴露水平下筛选出59、70、32和62种代谢物并进行鉴定。
代谢途径分析结果如图2A-D所示，500、1000和5000 ng/L PFOA和PFOS共同暴露下，异喹啉生物碱的生物合成、萜类主干生物合成和酪氨酸代谢受到干扰。嘌呤代谢在1000、2000和5000 ng/L暴露水平下发生改变。2000 ng/L PFOA和PFOS对萜类主干生物合成没有影响，单萜类生物合成在2000ng /L的暴露下含量显著改变。
图2E显示了莴苣根中新陈代谢网络中的扰动路径。图3展示了PFOA和PFOS胁迫下的根中代谢途径的示意图。与碳水化合物、氨基酸、抗氧化剂(主要是酚类)、脂肪酸和嘌呤相关的代谢共同应对PFOA和PFOS的胁迫。可溶性糖含量的增加说明有更多的能量生成来支持防御PFOA和PFOS胁迫的生理活动。氨基酸在植物生理过程中起着重要的作用，酪氨酸的积累可以被认为是调节抗氧化剂代谢的信号，以抑制PFOA和PFOS诱导的ROS。脂肪酸的调控有助于调节质膜的组成，在PFOA和PFOS发生脂质过氧化的情况下，维持膜的完整（图1II）调控PFAS进入细胞的运输。根中DNA损伤修复的标志是嘌呤代谢的上调。此外，一些明显受到干扰的信号分子也参与了对PFOA和PFOS暴露的代谢调节，以维持根的正常生长和发育。
图2 水培体系中添加(A)500、(B)1000、(C)2000和(D)5000 ng/L PFOA和PFOS的莴苣根代谢途径分析。（E）显著变化的代谢网络图。
图3 PFOA和PFOS对莴苣根代谢途径的影响。
3.2 抗氧化剂
在PFOA和PFOS胁迫下，莴苣根系中23种抗氧化剂发生显著变化，抗氧化防御系统被激活（图4）。与对照组相比，熊果苷在500 ng/L和1000 ng/L浓度下分别下降了48.2%和66.0%。咖啡酸上调了1.7~4.3倍，肉桂酸下调了 38.3%~59.3%。咖啡酸的上调增强了根系对PFAS胁迫的抗氧化能力。肉桂酸是苯丙氨酸代谢的中间产物，苯丙氨酸是生物合成(多)酚的上游代谢产物（图2E）。在500~1000 ng/L浓度范围内，环磷酰胺、马儿酚、高香草酸和羟基酪醇含量增加0.8~94.7倍，而在2000 ng/L和5000 ng/L浓度下变化不大。结果表明，不同浓度的PFOA和PFOS胁迫根采用不同的保护代谢物。研究结果表明，抗氧化剂，主要是酚类物质，也广泛参与了PFAS诱导的植物根系活性氧的清除。
图4 不同浓度PFOA和PFOS诱导莴苣根中抗氧化剂相对丰度的箱形图。
3.3 脂质
如图5所示，根中16种脂类的浓度受到调节。500 ng/L和1000 ng/暴露时，焦磷酸异戊烯酯(IPP)浓度分别下降了51.9%和60.4%，5000 ng/L暴露时IPP浓度增加了1.1倍。根中植物酚下降48.7%-78.4%。植物酚的减少可能会降低膜中抗氧化剂的能力，并可能导致PFAS在氧化应激下的脂质过氧化（图1II）。
图5 不同浓度PFOA和PFOS诱导莴苣根系脂质相对丰度的箱形图。
3.4 氨基酸
PFOA和PFOS对莴苣根系氮代谢的影响如图2和3所示。其中有15种氨基酸的含量受到显著影响（图6）。谷氨酰胺随PFOA和PFOS暴露浓度的增加而呈依赖性增加。处理后赖氨酸和缬氨酸浓度降低20.8%~91.5%，酪氨酸浓度提高2.1倍~77.6倍。因此，赖氨酸和缬氨酸的减少可能增强了根系PFOA和PFOS的耐受性。增加的酪氨酸用于合成防御相关的代谢物，以应对PFAS压力。500~2000 ng/L暴露组蛋氨酸下降21.6%~57.5%。蛋氨酸是合成次生代谢物的前体，例如硫代葡萄糖酸盐。
图6 不同浓度PFOA和PFOS诱导莴苣根氨基酸相对丰度箱形图。
3.5 脂肪酸
脂肪酸代谢受到干扰(图3)，其中13种脂肪酸含量发生改变。各处理组根系中的脂质过氧化反应(图1II)导致脂肪酸的上调或下调。根细胞调节细胞膜的组成可能是为了修复PFAS引起的膜完整性的破坏，并调控PFAS进入细胞的运输。一些亚麻酸衍生物在根中受到调控。茉莉酸(JA)和17-羟基亚麻酸(17-羟基亚麻酸)随暴露浓度的升高而降低，而抗坏血酸含量升高。在5000 ng/L的PFOA和PFOS暴露下，茉莉酸浓度显著降低，降低了根细胞对PFOA和PFOS胁迫的耐受性。
3.6 碳水化合物
PFOA和PFOS对根中TCA循环造成影响（图2）。在2000 ng/L和5000 ng/L暴露下，琥珀酸下降了约70%，尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)含量下降32.5%~55.7%（图7）。调控TCA循环和UDPG是PFOA和PFOS暴露改变碳水化合物代谢的明显变化。5000 ng/L PFOA和PFOS可显著增加蔗糖的积累，而鼠李糖浓度显著降低并呈剂量依赖性。表明PFOA和PFOS干扰了根中需要糖的信号转导，与半乳糖醇和山梨醇有关的几种糖醇显著减少。
图7 不同暴露浓度的PFOA和PFOS诱导莴苣根系碳水化合物相对丰度箱形图。
3.7 嘌呤和核苷
根中嘌呤代谢上调（图3），这与PFOA和PFOS共同作用下莴苣叶片中嘌呤和核苷的变化一致。单磷酸腺苷、腺苷、鸟苷、次黄嘌呤、肌苷和黄嘌呤的积累表明细胞内嘌呤的代谢发生了改变，从而修复根中受损的DNA。
3.8 其他代谢
结论
本研究通过代谢组学的方法研究了植物根系对PFAS暴露的代谢规律。虽然没有观察到莴苣根系生长的差异，但无机元素和有机化合物的代谢均受到影响。根的脂质过氧化作用随PFOA和PFOS暴露剂量的增加而增加。莴苣根中的很多代谢途径，如改变膜组成成分、调节信号分子、提高固氮水平、重新分配碳和氮代谢、激活抗氧化生物合成和上调嘌呤代谢等代谢物质含量发生改变，全面激活解毒应激策略。本研究为植物根系对PFAS暴露的响应提供了分子依据，并为PFAS在环境中的风险评估奠定了重要基础。
评论
本文对PFAS胁迫下代谢调控的分子机制进行了全面的总结，对PFAS的生态风险评估有一定的参考价值。从机理上解释了PFASs诱导的植物毒性和根系解毒途径，以促进我们对PFASs的环境影响的理解本研究中概述的方法论是研究污染物与植物之间相互作用的有效工具。