水通道蛋白介导的聚苯乙烯纳米塑料跨膜转运机制及其在苦荞中的生理与基因组响应

本研究针对聚苯乙烯纳米塑料（Ps-NPs）如何穿透植物细胞及其生理与分子机制这一科学难题，通过苦荞（Fagopyrum tataricum）模型，结合激光共聚焦显微镜、转录组分析和分子对接技术，首次揭示水通道蛋白FtPIP2;8介导Ps-NPs跨膜转运的核心机制。研究发现Ps-NPs通过激活活性氧（ROS）信号通路，特异性诱导FtPIP2;8过表达，进而驱动纳米塑料内流并引发氧化应激。该成果为评估农业生态系统中纳米塑料的环境风险提供了关键分子靶点，发表于《Journal of Hazardous Materials》。

　　

论文解读
每年全球产生6300万吨塑料垃圾，预计到2050年将有1.2万吨塑料废弃物滞留自然环境。其中粒径1-1000纳米的塑料颗粒（NPs）能通过作物根系进入食物链，威胁人类健康。尽管已知NPs会抑制小麦、水稻等作物的传粉过程，但其能否穿透植物细胞膜、如何影响基因表达仍属科学盲区。苦荞作为重金属超富集作物，对环境污染响应敏感，是研究NPs生物效应的理想模型。

兰州大学研究人员采用100 nm荧光标记聚苯乙烯纳米塑料（Ps-NPs）处理苦荞幼苗，通过激光共聚焦显微镜（LSCM）首次可视化NPs在根系的时空分布规律，结合扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）证实其可突破细胞壁屏障进入胞内。生理检测显示Ps-NPs引发根系氧化应激，ROS含量随时间呈指数增长，与植株生物量显著负相关。转录组分析发现水通道蛋白家族（AQPs）成员FtPIP2;8（基因ID FT01Gene33590.t1）表达量激增，共表达网络和双荧光素酶报告实验证实转录因子FtERF98可特异性激活FtPIP2;8启动子。分子对接模拟显示FtPIP2;8蛋白通道能与Ps-NPs形成稳定结合构象，阐明其作为转运载体介导NPs跨膜的分子基础。

关键结果

1. Ps-NPs在苦荞根系的时空分布：LSCM显示处理第2天根表皮出现零星荧光信号，第8天荧光遍布整个根系，TEM证实NPs可进入皮层细胞质。
2. 生理毒性机制：Ps-NPs导致根系过氧化氢（H₂
   O₂
   ）含量上升300%，超氧化物歧化酶（SOD）活性下降42%，直接抑制植株生长。
3. 核心基因鉴定：加权基因共表达网络（WGCNA）将FtPIP2;8确定为响应NPs的关键枢纽基因，其表达量与ROS水平呈强正相关（r=0.89）。
4. 分子互作验证：FtPIP2;8的Gln189残基通过氢键与Ps-NPs结合，自由能计算（ΔG=-5.8 kcal/mol）证实该互作可自发进行。

结论与意义
该研究首次揭示植物通过水通道蛋白主动转运纳米塑料的基因组机制，突破传统认为NPs仅依靠被动扩散进入细胞的认知。发现FtERF98-FtPIP2;8调控模块为NPs胁迫下的新型信号通路，为培育低NPs积累作物提供分子靶标。鉴于苦荞的广泛食用性，研究成果对保障农产品安全具有重要警示价值，也为制定农田纳米塑料污染防控标准奠定理论基础。