ZnO纳米颗粒对拟南芥的分子调控机制：miRNA与代谢组学视角下的植物应激响应研究

本综述系统探讨了ZnO纳米颗粒（NPs）对拟南芥（Arabidopsis thaliana）的多层次影响，重点揭示了其通过剂量依赖性方式扰乱金属稳态（如Zn、Mn、Fe、Ca积累）、激活抗氧化防御基因（如H2O2和超氧化物清除途径），并调控miRNA（如miR156-SPL模块）与代谢物（如脯氨酸、谷氨酸）的重编程机制，为纳米材料植物毒理学提供了整合性分子视角。

　　

Abstract

锌氧化物纳米颗粒（ZnO NPs）在农业与植物研究中的应用仍存争议。本研究探索了拟南芥（哥伦比亚生态型）对ZnO NP暴露的分子响应，重点关注miRNA表达与代谢物谱系，揭示了植物应答机制的新见解。ZnO NPs以三种浓度（8、40、80 mg·kg^?1）施用于泥炭平板（Jiffy?）。结果显示其对植物表型性状存在剂量依赖性负面影响，尤其是生长与叶绿素含量下降。值得注意的是，ZnO NPs显著扰乱金属稳态，导致锌积累升高以及锰、铁、钙吸收改变。抗氧化防御应答的基因表达分析显示浓度特异性调控，表明在ZnO NP胁迫下植物转向更特化的抗氧化机制。具体而言，较低浓度（8与40 mg·kg^?1）引发与H₂O₂清除及谷胱甘肽合成相关基因的过表达，而80 mg·kg^?1浓度则上调与超氧化物清除相关的基因，突显氧化应激应答机制的剂量依赖性转变。这些分子变化伴随miRNA表达与代谢物谱系的显著改变，且呈非线性和剂量依赖性。在40与80 mg·kg^?1浓度下，miR156-SPL调控模块发挥重要作用。此外，脯氨酸（约20%增长，8、80 mg·kg^?1）、牛磺酸（16%，80 mg·kg^?1）、富马酸（31%，40 mg·kg^?1）和谷氨酸（50%，8 mg·kg^?1）参与植物对ZnO NPs的适应性响应，贡献于抗氧化防御与金属结合机制。综上，这些结果强调ZnO NP暴露引发复杂多层次适应性机制，涉及元素应激、抗氧化应答、miRNA调控与代谢调整的交互作用。

Introduction

纳米技术已成为近几十年来增长最快的行业之一，在生物医学、光学与电子领域找到多样化应用（Rico等，2013；Kaveh等，2013；Seleiman等，2020；Darvishi等，2021；Darvishi等，2019）。尺寸小于100 nm的新材料开发与利用激发了各人类活动的兴趣（Darvishi等，2021）。农业面临广泛挑战，威胁其生长、产量与整体健康（Huang等，2024）。从公众视角看，农业始终被视为保守领域。植物栽培近年基于科学研究取得突破性创新。纳米颗粒（NPs）作为肥料、杀虫剂或农药，具有农业生物技术应用潜力（Liu与Lal，2015）。主要目的是通过使用更少化学品增加植物生长、产量与耐力或降低环境风险（Kah与Hofmann，2014）。值得注意的是，预测NPs毒性比对应块材料更挑战（Ma等，2014），尤其涉及与生命系统的交互（Bundschuh等，2018）。尽管纳米颗粒自然存在，释放NPs到环境中可能因其不可预测归宿而具危害性（Seleiman等，2023a）。可及出版物中，一般植物毒性包括机械损伤与堵塞（Schwab等，2016；Campos等，2013）、毒性离子释放、氧化应激诱导（Bundschuh等，2018；Buchman等，2019）、降低发芽率、减少芽与根长度、劣质生物量产量，以及光合作用等代谢过程（Ma等，2017；Molnár等，2020）。所有这些过程诱发受影响植物的系统响应，影响初级生产者并冲击食物链（Yang等，2017；Pacheco等，2017；Ruttkay-Nedecky等，2017）。

因潜在应用，锌氧化物纳米颗粒（ZnO NPs）是农业纳米技术中最受研究且广泛使用的金属NPs（Seleiman等，2023b），常被视为植物生物技术中有前景的NPs（Thounaojam等，2021）。锌是植物生长与发育的必需微量营养素（Seleiman等，2023c；Sarkhosh等，2022）。此外，锌作为许多植物转录因子、蛋白质交互域与酶的辅因子，并可作为非生物应激调节剂，例如在干旱（Al-Selwey等，2023）、盐度（Ahmad等，2023）或重金属应激（Alhammad等，2023）中。土壤低锌浓度是全球主要问题，导致植物根部无法获取锌（Ahmad等，2018）。此问题可通过添加含锌肥料解决（Doolette等，2018）。重要的是，数项研究表明一旦NPs释放到环境中，它们迅速溶解并释放锌离子。因此，土壤锌浓度可能增长超出预期水平（Watson等，2015）。尽管有益处，过量锌对植物组织具毒性（Sarkhosh等，2022；Alonso-Blázquez等，2015）。长期暴露于ZnO NPs对人类构成健康风险，包括细胞毒性、遗传毒性、凋亡、氧化应激与炎症（Schulte等，2018；Belal与Gad，2023）。氧化信号通路改变（Molnár等，2020）、生长抑制与发育异常已在少数植物如生菜（Xu等，2018）或荞麦（Watson等，2015）中报道。然而，对植物响应ZnO NPs的分子机制全面理解仍不完整。微小RNA（miRNAs）是约21至24核苷酸的小非编码RNA。通常，它们通过靶向信使RNA（mRNAs）调节基因表达，导致活细胞内转录后降解或翻译抑制（Voinnet，2009；Bartel，2004）。越来越多证据强调miRNAs在植物生长、发育与环境应激响应中的重要作用（Wang等，2009；Sunkar等，2012；Ghosh等，2022；Gelaw与Sanan-Mishra，2022；Jeena等，2022）。在代谢水平，重编程初级与次级途径帮助植物适应应激条件（Mahajan等，2020）。次级代谢物（SMs）代表植物防御响应的驱动力（Jeena等，2022；Mahajan等，2020；Bistgani等，2019）。然而，miRNA调控与代谢物响应在纳米颗粒暴露背景下仍知之甚少（Li等，2019）。

先前研究显示ZnO NPs能以多种方式影响植物分子调控。例如，ZnO NPs调节小麦中特定miRNAs如miR156与miR171的表达（Niazi等，2023），影响种子发育与养分再动员，而在大麦幼苗中它们改变miRNA谱系并与细胞毒性和遗传毒性效应关联（Plaksenkova等，2020）。同时，ZnO NPs被显示重塑多种作物的次级代谢，包括酚类化合物与黄酮类变化（García-López等，2018a）。这些发现表明miRNA调控与代谢重编程均是植物适应纳米颗粒诱导应激的核心。然而，迄今无研究在拟南芥（解析植物分子响应的关键模型物种）中结合这两层调控。特别地，我们预期 distinct 应激相关miRNAs与代谢物通路将差异调控，反映植物适应NPs应激的机制。通过整合这些分子数据集，我们旨在揭示ZnO NPs响应中转录后调控与次级代谢交互的新见解。

Section snippets

ZnO NPs

通过在不同浓度这些纳米颗粒存在下培养拟南芥测试商业ZnO NPs的毒性。ZnO NP溶液通过去离子水稀释制备。ZnO纳米颗粒购自US Research Nanomaterials, Inc.（休斯顿，TX，美国）（99.5%纯度，20 wt%，30–40 nm）。处理前，NP储备液通过超声处理分散20分钟。为验证制造商表征，我们进行了自身表征。

Results and discussion

本研究中，ZnO NPs通过生长介质直接施用，模拟通过根系的常见进入途径，以研究其对植物生理与分子响应的影响。特别重点放在整合抗氧化响应、miRNA表达与代谢物分析，因为这些互联通路提供NPs暴露下植物适应性机制的全面理解。

Conclusion

本工作提供对拟南芥响应ZnO NP暴露的分子机制新见解。我们显示叶片锌积累伴随非线性抗氧化响应，揭示植物在不同纳米颗粒浓度激活不同解毒策略。此外，应激响应miRNAs（尤其miR156与miR398）的调制表明在链接ROS解毒与金属稳态中的调控作用。