暴露于颗粒物的生菜愈伤组织中的生长抑制：细胞损伤与细胞内物质积累有关

《Environmental Pollution》：Growth inhibition in lettuce callus exposed to particulate matter: Cellular injury linked to intracellular accumulation

本研究采用生菜原质体-愈伤组织系统，模拟环境浓度柴油颗粒物（DEP）暴露，发现PM通过细胞内积累引发氧化应激、叶绿体降解及代谢紊乱，导致激素失衡和早期生长抑制，为植物毒性机制及环境评估提供新方法。

　　近年来，随着城市化进程的加快和工业活动的增加，空气污染问题日益严重，其中颗粒物（Particulate Matter, PM）污染因其对生态环境和人类健康的潜在危害而备受关注。PM是一种由多种来源产生的微小颗粒，包括人类活动如工业排放、机动车尾气以及生物质燃烧，同时也来源于自然过程，如矿物尘埃的扩散和生物颗粒的释放。特别是PM2.5，因其能够深入人体呼吸系统甚至进入血液循环，已被国际癌症研究机构（IARC）列为一类致癌物。此外，PM污染对植物的影响也不容忽视，特别是在农业环境中，PM可能通过直接接触或间接途径（如通过污染的植物吸收）影响作物的生长与健康。

植物细胞作为生态系统的基础单位，其对PM的响应机制对于理解PM污染对植物及环境的潜在影响至关重要。目前，关于PM与植物相互作用的研究主要集中在表面机制上，例如PM沉积在叶片表面以及气孔堵塞等现象。然而，这些研究往往忽略了PM在植物细胞内部的积累及其引发的更深层次的生理和生化变化。随着纳米毒理学的发展，人们逐渐认识到，一些超细颗粒（<100 nm）可以通过内吞作用或脂质双分子层的被动扩散进入植物细胞内部。然而，对于较大颗粒的PM是否能够实现细胞内积累，以及其后续的细胞内反应机制，仍然缺乏系统的探究。

在这一背景下，本研究选择使用标准化柴油尾气颗粒（Diesel Exhaust Particles, DEP）作为PM污染的模拟物，以评估其对植物细胞的潜在影响。DEP因其与实际空气污染中PM的相似性，成为研究空气污染对植物毒性的理想材料。为了更精确地模拟真实环境中的PM污染情况，研究中采用了NIST提供的SRM-2975标准PM样品，该样品具有特定的粒径分布（约1.62 μm），并广泛应用于环境研究中。通过使用这些标准化颗粒，研究团队能够系统地评估PM对植物细胞内部的积累情况及其对细胞结构和功能的影响。

本研究以生菜（Lactuca sativa）的原生质体-愈伤组织系统为实验对象，以探究PM污染对植物细胞的毒性机制。生菜作为一种在全球范围内广泛种植的作物，具有重要的农业价值。其叶片面积大，且在实验室条件下易于培养，因此成为研究PM污染对植物影响的理想材料。研究中通过观察生菜原生质体在发育过程中PM的积累情况，模拟了城市森林环境中PM在植物叶片上的沉积量（11.84至165.73 μg/cm2），从而揭示了PM污染对植物细胞的潜在影响路径。

研究结果表明，PM污染会导致植物细胞内部的显著积累，并引发严重的细胞结构损伤，包括叶绿体完整性破坏。PM的暴露还触发了浓度依赖性的氧化应激反应，表现为过氧化氢水平的上升和抗氧化能力的下降，进而导致叶绿素和糖分含量的减少以及光合作用的受损。此外，研究还发现PM污染会引发生长素与细胞分裂素之间的相互作用，反映出植物激素平衡的紊乱。这一激素失衡可能作为细胞损伤的补偿机制，通过上调与芽分化相关的基因（如ARF5和AIL6PLT3）来应对PM的毒性影响。

值得注意的是，虽然传统的全株毒性测试可以评估PM对植物生长和存活率的急性或慢性影响，但这些测试往往受到暴露时间较长和空间与时间变化等因素的限制。相比之下，基于细胞的毒性测试能够更快速地揭示PM污染对植物细胞的具体影响，避免了器官水平和系统水平的干扰。本研究通过使用生菜的原生质体-愈伤组织系统，不仅能够直接观察PM在细胞内的积累情况，还能深入分析其对细胞结构和功能的破坏机制。

研究还通过拉曼光谱分析，对PM样品（NIST SRM 2975）进行了详细的化学成分分析。结果显示，大部分样品区域仅显示出荧光背景，而在某些区域则出现了特征性的D（无序）和G（石墨）谱带，分别位于约1340 cm?1和1588 cm?1处。D谱带源于无序或缺陷结构中sp2碳原子的环呼吸模式，而G谱带则代表了石墨晶体中碳原子的平面振动模式。这一结果表明，PM样品主要由碳基石墨材料构成，其结构特征可能对植物细胞的毒性机制产生重要影响。

通过这一系统的实验设计，本研究不仅揭示了PM污染对植物细胞的多步毒性路径，还为开发针对PM污染的生物监测策略提供了新的思路。研究结果表明，PM污染对植物细胞的毒性主要体现在以下几个方面：首先，PM的内部化过程导致细胞内PM的积累；其次，这种积累引发氧化应激反应，影响细胞内的氧化还原平衡；再次，PM污染会破坏叶绿体结构，导致光合作用效率下降；最后，PM污染可能通过改变植物激素的平衡，影响植物的生长和发育。

这些发现不仅加深了对PM污染对植物细胞影响机制的理解，也为评估PM污染对作物和生态系统的潜在影响提供了新的工具和方法。基于细胞的实验系统，如原生质体-愈伤组织系统，能够更直接地观察PM在细胞内的行为，从而揭示其对植物细胞的毒性路径。这种实验方法的优势在于，它能够克服传统全株实验中的时间限制和空间变化问题，为快速评估PM污染的生态影响提供支持。

此外，本研究还强调了植物细胞实验在环境科学中的重要性。通过分析PM污染对植物细胞的毒性机制，可以为制定更有效的污染控制措施提供科学依据。例如，了解PM如何通过氧化应激和激素失衡影响植物生长，有助于开发新的抗污染植物品种或改进现有的农业管理策略。同时，这些研究结果还可以用于建立更敏感的生物标志物，以监测环境中的PM污染情况。

在实际应用中，基于细胞的实验系统可以为环境监测提供更精确的数据支持。例如，通过观察PM在植物细胞内的积累情况，可以评估不同环境中PM污染的强度和影响范围。此外，研究中发现的氧化应激和激素失衡等现象，也可以作为PM污染的早期预警信号，帮助人们更早地采取措施减少PM污染对植物和生态系统的危害。

综上所述，本研究通过使用标准化柴油尾气颗粒模拟PM污染，揭示了PM污染对植物细胞的多步毒性路径。这些发现不仅有助于理解PM污染对植物和生态系统的潜在影响，也为开发新的环境监测和污染控制策略提供了重要的科学依据。未来的研究可以进一步探索不同种类PM对植物细胞的具体影响，以及不同植物品种对PM污染的适应能力，从而为更全面的环境管理提供支持。