整合生理学、转录组学和代谢组学方法揭示了甜橙（Citrus sinensis）幼苗暴露于聚苯乙烯微塑料时的响应

《Industrial Crops and Products》：Integration of physiological, transcriptomic, and metabolomic approaches reveals the responses of sweet orange ( Citrus sinensis) seedlings exposed to polystyrene microplastics

甜橙幼苗在微塑料暴露下通过抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性增强缓解氧化损伤，代谢组学显示氨基酸（如L-苯基丙氨酸、L-脯氨酸）及苯丙烷类（cinnamic acid）和血清素（tryptamine、serotonin）显著积累，转录组学揭示ABA信号通路、苯丙烷代谢途径及血清素通路关键基因（NCED、PAL、TDC）上调，同时光合系统II光吸收相关基因（LHCII）受抑制。首次证实微塑料激活植物血清素通路，为作物抗污染机制研究提供新视角。

　　### 植物对微塑料的响应机制：以甜橙幼苗为例

随着塑料制品的广泛使用，微塑料污染已成为全球性的环境问题。这些微塑料颗粒不仅存在于海洋生态系统中，也广泛渗透到农业土壤中，影响植物的生长与代谢。微塑料对植物的影响复杂多样，既可能抑制其生长，也可能在某些条件下促进其代谢活动。本文通过综合生理、转录组和代谢组的研究方法，系统探讨了聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）对甜橙幼苗的影响，揭示了其在不同剂量下的响应机制。

#### 微塑料对植物的影响

微塑料因其稳定性、低成本和易生产的特点，在农业中被广泛使用。然而，这些微塑料颗粒在自然环境中逐渐积累，成为土壤中不可忽视的污染源。研究表明，微塑料对植物的影响取决于其浓度和类型。在高浓度情况下，微塑料会显著抑制植物的生长和生物量积累，例如在柠檬树、番茄、草莓和山楂中观察到明显的生长抑制现象。然而，低浓度微塑料有时反而会促进植物的生长，如豌豆和一些其他作物。这表明植物对微塑料的响应具有显著的浓度依赖性，且不同物种之间存在差异。

微塑料对植物的生理和代谢具有深远影响。例如，它们可能通过影响光合作用、抗氧化系统和激素信号传导，干扰植物的正常生理功能。研究发现，微塑料暴露会增加植物体内过氧化氢（H?O?）的含量，同时降低可溶性蛋白水平，但显著提高超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的活性。这些变化表明，植物在微塑料暴露下可能启动了抗氧化防御机制，以应对氧化应激。此外，微塑料还会改变植物的代谢物组成，影响氨基酸、类黄酮、生物碱、有机酸和脂质等物质的积累。

#### 甜橙幼苗对微塑料的响应机制

甜橙作为一种重要的经济作物，其种植过程中常使用塑料薄膜以保持土壤湿度、抑制杂草生长和提升果实品质。然而，这种农业实践也导致了土壤中微塑料的积累。为了深入了解甜橙幼苗对微塑料暴露的响应机制，本研究在温室条件下进行了盆栽实验，分析了不同浓度的PS-MPs对甜橙幼苗的影响。

在实验中，研究人员发现，随着PS-MPs浓度的增加，甜橙幼苗叶片中的H?O?含量呈剂量依赖性上升，最高浓度（GNT80）相比对照组（GNCK）增加了40.33%。同时，可溶性蛋白含量显著下降，而SOD、POD和CAT的活性则显著上升，分别增加了100.05%、200.36%和300.47%。这些变化表明，甜橙幼苗在微塑料暴露下启动了强大的抗氧化系统，以应对氧化应激。尽管H?O?的积累可能对细胞膜造成一定压力，但研究并未发现膜脂过氧化产物（MDA）的显著变化，这可能意味着甜橙幼苗具备一定的耐受能力。

#### 转录组分析揭示基因表达变化

通过转录组测序，研究人员分析了甜橙幼苗在不同PS-MPs浓度下的基因表达变化。结果表明，PS-MPs暴露显著影响了多个基因的表达，包括与抗氧化酶活性相关的基因、与氨基酸合成相关的基因以及与脱落酸（ABA）合成和信号传导相关的基因。例如，在低剂量（GNT20）和高剂量（GNT80）条件下，分别检测到4667个和5419个差异表达基因（DEGs）。这些DEGs主要参与植物对胁迫的响应，如细胞对低氧的适应、茉莉酸（JA）代谢以及光合作用相关基因的调控。

在低剂量PS-MPs暴露下，DEGs主要富集于“细胞对低氧的反应”和“茉莉酸代谢”等通路。而在高剂量暴露下，DEGs则更多地涉及光合作用相关基因的下调，尤其是光系统II的光捕获复合物蛋白基因（LHCII）。这表明，高浓度的微塑料可能通过干扰光合作用，降低植物的光能吸收和传递效率。此外，PS-MPs还显著激活了与氨基酸合成相关的基因，如色氨酸合成酶（TS）、苯丙氨酸氨基裂解酶（PAL）等，这可能促进了某些氨基酸的积累，如L-苯丙氨酸、L-酪氨酸和L-精氨酸。

#### 代谢组分析揭示代谢物变化

代谢组分析进一步揭示了甜橙幼苗在不同PS-MPs浓度下的代谢物变化。研究发现，L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、L-脯氨酸、L-精氨酸、L-瓜氨酸、L-异亮氨酸和L-赖氨酸的含量显著增加，其中L-苯丙氨酸和L-瓜氨酸的增加尤为显著，分别达到181%和486%。这些氨基酸的积累可能与植物的抗氧化和胁迫响应有关，尤其是L-脯氨酸和L-瓜氨酸，它们作为渗透调节物质，有助于维持细胞内的稳态，减轻氧化应激。

此外，PS-MPs还显著促进了类黄酮、生物碱、有机酸和脂质的积累。例如，4′-甲氧基黄酮的含量在高剂量PS-MPs暴露下增加了4437%，这可能与植物的防御机制有关。同时，研究还发现，PS-MPs显著激活了与ABA合成相关的基因，如9-顺式-环氧角鲨烯合成酶（NCEDs），导致ABA含量在高剂量条件下增加了974%。ABA作为重要的植物激素，能够诱导气孔关闭、促进胁迫相关基因的表达，从而增强植物的抗逆性。

#### 信号通路的激活与调控

研究还发现，PS-MPs激活了多个重要的信号通路，包括苯丙烷通路和血清素通路。苯丙烷通路是植物细胞壁合成的重要途径，其关键酶如PAL、4CL、HCT、CCR、POD和LAC的表达均被显著上调。这可能表明，甜橙幼苗通过增强细胞壁的合成，以提高对微塑料侵入的抵抗力。同时，血清素通路也被激活，这在植物中较为罕见。研究发现，PS-MPs显著提高了血清素前体如色胺和N-甲基色胺的含量，分别增加了1570%和1309%。这可能是由于PS-MPs促进了色氨酸代谢，从而激活了血清素通路。尽管L-色氨酸的含量没有显著变化，但其代谢产物的大量积累表明，植物可能通过这一通路来增强其抗逆能力。

#### 微塑料暴露对光合作用的影响

光合作用是植物生长和发育的核心过程，而PS-MPs暴露可能通过干扰光系统II的光捕获能力，影响光合作用效率。研究发现，PS-MPs显著降低了LHCII基因的表达，导致光能吸收和传递能力下降。这一现象在烟草、水稻和黄瓜等作物中也有报道，但甜橙幼苗的光合作用能力并未受到显著抑制，这可能与其较低的光合能力有关，或者是因为实验周期较短，未能观察到长期影响。

#### 植物适应微塑料污染的机制

综合生理、转录组和代谢组的数据，研究揭示了甜橙幼苗对微塑料污染的适应机制。植物通过激活抗氧化系统、调整氨基酸代谢、增强细胞壁合成和诱导ABA及血清素信号通路，以应对微塑料带来的胁迫。这些机制共同作用，帮助植物维持其生理稳态，减轻微塑料的毒性影响。例如，SOD、POD和CAT的活性提升有助于清除过量的ROS，而氨基酸的积累则可能作为抗氧化物质的前体，进一步增强植物的抗逆能力。

此外，研究还发现，某些代谢物如L-脯氨酸和L-瓜氨酸的积累可能有助于植物维持细胞内的渗透平衡，减少因微塑料暴露导致的细胞损伤。而ABA的增加则可能通过调控气孔开闭和胁迫响应基因的表达，提高植物对环境变化的适应能力。血清素通路的激活则可能通过调节细胞内的信号传导，增强植物的抗逆性。

#### 结论与展望

本研究首次系统地揭示了甜橙幼苗对PS-MPs暴露的响应机制，为理解微塑料对植物的影响提供了新的视角。通过多组学分析，研究发现，微塑料暴露不仅影响植物的生理指标，还显著改变了其基因表达和代谢物组成。这些发现对于未来农业实践具有重要意义，可能为减少微塑料污染对作物的影响提供新的策略。例如，通过调控关键基因的表达，如NCEDs、PALs和TDCs，可能有助于提高植物对微塑料的耐受性。此外，研究还表明，某些代谢物如L-苯丙氨酸和血清素可能在植物适应微塑料污染中发挥重要作用。

综上所述，微塑料对植物的影响是复杂且多方面的，不同浓度的暴露可能引发不同的生理和代谢响应。未来的研究应进一步探讨不同植物物种对微塑料的适应机制，并结合基因编辑和代谢调控技术，以提升作物对微塑料污染的耐受能力。这不仅有助于农业可持续发展，也有助于缓解全球微塑料污染问题。