連中三元！恭喜西南科大代謝組學研究再登環境頂刊

2019年10月~2020年5月，鹿明生物合作客戶西南科技大學環境與資源學院羅學剛團隊第三次在Journal of Hazardous Materials雜誌（IF：9.038）發表文章。名為「紫薯中鈾和鎘吸收及其相互作用機理」的文章，通過LC-MS非靶向代謝分析，發現鈾和鎘暴露下對植物礦物質代謝的影響，全面地闡明了非生物脅迫下紫薯的代謝響應機制。

中文標題：紫薯中鈾和鎘吸收及其相互作用機理

研究對象：紫薯幼苗

發表期刊：Journal of Hazardous Materials

影響因子：9.038

發表時間：2020年6月

運用生物技術：LC-MS非靶向代謝組學（由鹿明生物提供技術支持）

研究背景

核工業和農業活動的迅速發展導致大量含有放射性核素（例如鈾-238）的固體廢物、廢水和廢氣以及和其他汙染物（例如重金屬）釋放到環境中。被鈾汙染的典型環境一般同時包含鈾（U）和鎘（Cd），它們都容易被植物吸收和積累並進入食物鏈，對人類健康構成潛在威脅。鈾和鎘在作物中的遷移行為已成為近年來研究的重點，目前有多項研究在轉錄組、蛋白質組和代謝組水平上揭示了植物對鈾或鎘的毒性反應，但同時暴露於鈾和鎘雙重汙染環境中的植物和兩種元素之間的潛在相互作用沒有得到廣泛關注和研究。

紫薯（Ipomoea batatas L.）是一種營養豐富、經濟價值高的糧食作物，在中國得到廣泛種植，在中國的耕地面積約佔世界總面積的70％。但是紫薯的可食用部分為塊莖，與土壤直接接觸，容易被鈾和鎘汙染。本研究選擇紫薯（以下簡稱紫薯）為實驗材料，考察了它對鈾和鎘的吸收行為及對礦質營養的影響，並使用非靶向代謝組學技術分析了鈾和鎘間的相互作用機制。

研究思路

實驗方法

1.根結構和元素含量分析

（1）材料：生長150天的紫薯（側根和塊根）。

（2）分組：未汙染的土壤（對照）、鈾汙染土壤（100 mg/kg），鎘汙染土壤（15 mg/kg），鈾和鎘雙重汙染土壤（100 mg/kg + 15 mg/kg）。每組三個生物學重複。

（3）根結構實驗：掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散光譜儀（EDS）。

（4）元素分析實驗：238U含量使用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定，K、Ca、Na、Fe、Mg、Mn、Zn、Cu和Cd濃度通過火焰原子吸收和石墨爐原子吸收分光光度法（GFAAS）檢測，樣品總P用Mo-Sb比色法測定，累積係數（AC）定義為：累積係數（AC）=植物中鈾或鎘/土壤中的鈾或鎘。

（5）元素交互網絡分析：對11種元素（K，Ca，Na，Fe，P，Mg，Mn，Zn，Cu，U和Cd）的含量進行了主成分分析（PCA）、相關分析和權重網絡分析，權重係數範圍0.5-1.0。

2.代謝組實驗

（1）材料：幼苗地上部分和根，幼苗在基礎營養液中培養兩周，直至長出新根，然後暴露於汙染土壤72小時。

（2）分組：對照組（無鈾或鎘）、鈾暴露（25μM U）、鎘暴露（25μM Cd），鈾和鎘雙重暴露（25μM U + 25μM Cd）。每組六個生物學重複。

（3）鈾和鎘累積分析

X射線螢光分析（XRF）檢測鈾和鎘累積特徵，ICP-MS測定組織鈾濃度（C0），石墨爐原子吸收分光光度法測定鎘濃度（C0）。

（4）LC-MS非靶標代謝分析

研究結果

1.根微觀結構表徵和鈾、鎘殘留分析

與對照和鎘處理相比，在受鈾汙染的土壤（鈾和鈾+鎘處理）生長的紫薯根莖中貯藏的澱粉粒顯著減小（圖1A-D），碳和氧（C + O）比例較低。紫薯的正常礦質元素代謝收到幹擾（圖1E-F）。側根中鈾和鎘積累量顯著增加（圖1G&H）。

圖1 | 在鈾/鎘汙染土壤中生長的紫薯根微量結構（SEM / EDS分析）和鈾/鎘殘留量（mg·kg-1）

2.根礦質營養代謝

不同處理組之間的礦質元素存在顯著差異。PCA結果表明，在受汙染的土壤中，側根、塊莖根皮和塊莖根中元素的聚類位置發生明顯變化，不同組織中礦物質遷移的趨勢相似（圖2A-C）。鈾、鎘和礦質元素的相互作用網絡分析表明，在側根和塊根皮中，鎘對礦物質代謝的幹擾程度強於鈾，鎘與礦物質元素之間存在明顯的協同吸收（R2>0）。鈾與礦物質元素存在著競爭吸收（R2<0）（圖2D-F）。

圖2 | 紫薯根中元素主成分分析（PCA）和互作網絡分析

3.鈾和鎘暴露對幼苗生長和元素積累的影響

如圖3所示，短期（72小時）暴露於鈾和鎘對幼苗根部有明顯毒性作用。在鈾和鈾+鎘處理的根部死亡或生長遲緩，說明鈾毒性明顯強於鎘。XRF分析表明，幼苗根是鈾和鎘的積累器官（圖3A-F）。

圖3 | 暴露於鈾和鎘溶液72小時後，紫薯幼苗根和地上部分的X射線螢光光譜分析

ICP-MS結果表明，與單一鈾或鎘暴露相比，鈾+鎘聯合處理顯著增加了鈾和鎘的積累（p <0.05）（表2）。

表2 |暴露於鈾和鎘溶液72小時後紫薯幼苗中鈾和鎘的積累

4. 暴露於鈾和鎘的紫薯根代謝譜

LC-MS代謝組PCA結果顯示，不同暴露組中代謝物聚類位置發生了顯著變化，並且鈾和鎘之間存在累加效應（圖4A和表3），表明暴露於鈾和鎘的根代謝特徵發生顯著變化。OPLS-DA統計分析模型顯示了在鈾、鎘和鈾+鎘暴露組中鑑定出的差異代謝物（DEMs）（圖4B-D和表3），其中脂質代謝物比例最高（圖4E）。Venn圖顯示不同分組的DEM有20%相同（203個），可作為潛在生物標誌物,有80種代謝產物與兩種元素相互作用有關（圖4F）。

圖4 | 紫薯幼苗根中不同代謝產物的PCA和OPLS-DA分析

表3 | 根中PCA和OPLS-DA的R2X，R2Y和Q2

5.DEMs的代謝途徑和表達模式分析

圖5A-C顯示來自KEGG資料庫的不同暴露組代謝物的統計結果。Venn圖統計顯示，鈾、鎘和鈾+鎘暴露組DEM的表達模式高度一致，表明這些代謝產物在根對鈾和鎘毒性的反應中起重要作用（圖5D和E）。熱圖顯示在不同暴露組主要代謝產物（胺基酸、碳水化合物、核苷酸和脂肪酸）的表達模式（圖5F）。

圖5 | 分析不同處理組之間DEM的相互作用網絡

（A-C）KEGG代謝途徑，（D，E）維恩圖，（F）熱圖

鈾、鎘暴露組和鈾+鎘雙重暴露，分別有10條、12條和10條顯著富集的代謝途徑（圖6A-C）。維恩圖顯示了不同暴露組之間代謝物富集途徑的相互作用，其中包括40條常見富集途徑（圖6D）。這些結果表明，根中初級和次級代謝物的異常表達可能是植物生長異常的原因之一。

圖6 | 不同處理組之間的KEGG富集途徑

（A-C）和維恩圖（D）分析

6.鈾和鎘在初級代謝中的相互作用網絡

紫薯根部在代謝水平上對鈾和鎘毒性的生理反應如圖7、圖8所示。初級代謝網絡的代謝產物通常顯著上調。在鈾和鈾+鎘暴露組中，DEM表達模式高度一致，例如能量代謝相關途徑、胺基酸的生物合成和代謝途徑、脂肪酸和類固醇代謝（圖7A-C）。鈾和鎘暴露還改變了根中嘌呤和嘧啶的代謝（圖8）。

圖7 | 暴露於鈾+鎘溶液72 h後，紫薯幼苗根中碳水化合物、胺基酸、脂肪酸和類固醇的代謝網絡的可視化分析

圖8 | 暴露於鈾/鎘溶液72 h後，紫薯幼苗根部核苷酸代謝網絡的可視化分析

7.植物激素對鈾和鎘的響應

鈾和鎘暴露與植物激素代謝有關的DEMs的表達方式如圖9所示。吲哚乳酸、二氫玉米蛋白核糖苷、脫落酸11-葡萄糖苷、油菜素內酯、水楊酸和水楊酸β-D-葡萄糖苷的表達顯著增加（圖9），表明植物激素信號轉導途徑在根對鈾和鎘毒性的響應中具有重要作用。

圖9 | 鈾/鎘暴露72 h對紫薯根系植物激素代謝的影響

相關討論

在本研究中，紫薯根（塊莖）中鈾和鎘殘留量超過國家標準規定的健康風險閾值，且鎘的累積係數（AC）大於鈾（圖1G和H），鈾的生物有效性明顯低於鎘。在紫薯根中鈾、鎘與礦物質代謝之間存在明顯相互作用（圖2），表明根的礦物質吸收途徑可能與鎘和鈾的吸收和轉運有關。紫薯根部的礦質元素吸收與鈾呈競爭關係（負相關），與鎘呈協同關係（正相關）（圖2）。表明礦質營養代謝對鈾和鎘的響應策略不同，可能是紫薯中鎘積累係數較高的原因。

植物對不同重金屬的耐受性導致生長和發育差異。在相同暴露水平（25μM）下，紫薯根部鈾含量比鎘高2.85-3.28倍（表2），且鈾對紫薯根的毒性明顯強於鎘，表明鈾化學毒性更高（圖3）。此外實驗結果表明鈾、鎘雙重汙染對紫薯生長發育的毒性作用比單一暴露強。

植物對生物或非生物脅迫因素的反應涉及基因表達、蛋白質合成和代謝產物調節。不同的暴露組中根中DEM的表達模式相似（圖5和圖6），說明鈾和鎘脅迫在代謝組水平反應相似。本研究發現紫薯根中植物激素和類似物（例如吲哚乙酸，玉米素，水楊酸，脫落酸和油菜素內酯）的含量顯著增加（圖9），同時cAMP和cGMP的表達也顯著增加（圖8）。結果表明，紫薯對鈾和鎘毒性的響應途徑可能涉及通過鈾和鎘誘導細胞內植物激素（第一信使）和環狀核苷酸（第二信使）的初始誘導，然後通過植物激素和環狀核苷酸的信號轉導途徑調節初級/次級代謝物提高細胞毒性耐受性。

紫薯對鈾或鎘暴露調節的代謝物表達方式存在差異。當鈾存在時紫薯根通過改善自身能量供應和增加初級代謝產物的合成來減輕鈾的毒性（圖7,8）。相比之下，鎘暴露主要誘導根中抗過氧化物（例如穀胱甘肽和色氨酸）的顯著表達（圖7），說明ROS代謝可能在紫薯對鎘毒性反應中起重要作用。此外，鈾和鎘組合對嘧啶的代謝途徑有明顯抑制作用，可能導致紫薯的核苷酸代謝異常。在圖10中總結了可能機制，以解釋紫薯在代謝水平上對鈾、鎘和鈾+鎘的反應。本研究結果也為揭示其他農作物對鈾和鎘雙重汙染的生理反應機理提供了理論基礎。

圖10 | 紫薯在代謝水平上對鈾/鎘脅迫的響應機制

實驗結論

1.在受鈾和鎘汙染的土壤中，紫薯塊根吸收鈾和鎘，礦物質營養相關的代謝調節了鈾和鎘的吸收、運輸，使其重新分布；鈾的化學毒性顯著高於Cd；

2.代謝組學結果顯示，鈾和鎘汙染物誘導細胞中植物激素（第一信使）和環狀核苷酸（cAMP和cGMP，第二信使）的表達，並調節細胞的初級/次級代謝，從而通過誘導植物激素和環核苷酸的信號轉導途徑促進對毒性的耐受性。

3.紫薯主要通過改善自身能量代謝並增加主要代謝產物合成來減輕鈾毒性和鈾+鎘毒性。鎘毒性誘導紫薯根中抗過氧化物質的顯著表達。鈾和鎘對嘧啶代謝途徑有明顯抑制作用，可能導致紫薯核苷酸代謝異常。

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作為西南科技大學發表的第三篇植物重金屬脅迫的研究文章，本文依舊亮點滿滿。作為重要的非生物脅迫，重金屬暴露的相關文獻多使用單一元素，而這篇文章增加了鈾+鎘雙重因素的考察。元素分析與非靶向代謝組學分析結果相輔相成，共同闡述了鈾和鎘脅迫對礦物質代謝和初生\次生代謝產生的影響，通過周密的實驗設計，詳細地闡述了紫薯應對鈾和鎘暴露相同和不同的代謝應答機制。在此，小編十分期待作者的下一篇文章，會為我們帶來哪方面的啟示和思考呢？

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文章來源於鹿明生物