褪黑激素介导的生化和氧化还原调节作用可以减轻聚乙烯和聚氯乙烯微塑料对玉米的毒性影响

《Food Chemistry》：Melatonin-mediated biochemical and redox adjustments alleviate polyethylene and polyvinyl chloride derived microplastic toxicity in maize

　　•微塑料（MP）威胁食品安全，但需要精确、基于证据的背景信息。
•微塑料会改变玉米的生理和生化性能。
•褪黑素通过特定的氧化还原和代谢途径降低微塑料的植物毒性。
•褪黑素增加了超氧化物抗氧化活性和氧化还原调节。
•褪黑素和H+-ATP酶活性的增加增强了细胞稳态。

**引言**
在过去三十年中，塑料污染已成为一个全球性的环境问题，其根本原因包括不当处理、降解缓慢以及塑料残留物在陆地和水生环境中的持续积累（Wagner & Reemtsma, 2019）。一次性塑料现在占总产量的35-40%，是增长最快的塑料类别（Charles & Kimman, 2023）。由于尺寸小、密度低且具有高吸附性，这些微塑料（≤5毫米）成为普遍存在的污染物，威胁着陆地和水生生态系统的稳定性和功能（da Costa, 2018）。微塑料通过降雨和地表径流容易扩散，从而在湖泊、湿地、河流乃至最终进入海洋中积聚（Khalid, Aqeel, & Noman, 2020; Yee et al., 2021）。陆地既是微塑料污染的储存库，也是其受害者（Khalid et al., 2025）。此外，塑料和微塑料通常含有增塑剂、稳定剂和色素等化学添加剂，而这些添加剂并未与塑料形成化学键。这些添加剂的释放进一步加剧了塑料的生态影响（Ambrogi, Carfagna, Cerruti, & Marturano, 2017; Bui et al., 2016; Wiesinger, Wang, & Hellweg, 2021）。这些污染物可以通过食物链进入人体，对生态系统和人类健康构成风险（Landrigan et al., 2023）。人们越来越担心，塑料污染及其所含化学物质可能会引发地球系统关键进程的重大干扰，包括粮食安全和稳定性，从而危及社会稳定和人类福祉（Persson et al., 2022）。尽管对水生环境中微塑料的研究较多，但其在陆地生态系统（尤其是农业生态系统）中的生态毒理影响仍相对较少（Yadav et al., 2022）。微塑料在农业土壤中的存在对植物、人类和土壤生物构成重大生态风险（Khalid, Aqeel, Noman, & Rizvi, 2023）。随着现代农业的发展，塑料在种植、施肥和覆盖材料中的广泛使用，其降解过程加快。这些微塑料在土壤中积累，并随后被作物吸收和运输（Yadav et al., 2022）。在农业土壤中的微塑料来源中，塑料薄膜是主要因素之一，因为它们在寒冷和干旱地区被广泛用于调节土壤温度和提高作物产量（Liu et al., 2021）。值得注意的是，聚乙烯（PE）微塑料是塑料薄膜降解的主要产物，因其逐渐破碎并在土壤中持久存在（Liu et al., 2021）。除了薄膜外，堆肥也被发现是微塑料进入农业土壤的主要途径，因为其含有较高比例的塑料（1.20克/千克）（Braun, Mail, Heyse, & Amelung, 2021）。Weithmann等人（2018）报告称，在各种商业生物废弃物产品（包括家庭垃圾、能源作物、成熟堆肥和未成熟肥料）中都发现了微塑料。此外，用于灌溉的废水会向农田释放大量微塑料，其中大部分是聚氯乙烯（PVC）（He et al., 2018; Van den Berg, Huerta-Lwanga, Corradini, & Geissen, 2020）。微塑料在土壤中的迁移和命运受到多种因素的影响，包括阳离子交换能力、有机质含量以及与土壤生物的相互作用（Cheng et al., 2024）。这些颗粒会破坏土壤结构，改变孔隙度、保水性和养分循环等关键物理特性。然而，微塑料对植物生长和产量的影响尚未完全了解。暴露于微塑料后，根系发育受到抑制，养分吸收减少，土壤酶活性和微生物呼吸受到影响（Farow, 2023; Irshad et al., 2024）。塑料添加剂和渗出物还会改变土壤的化学组成，常常导致植物毒性效应，最终降低作物产量。微塑料可以通过蒸腾作用进入植物组织，如茎和叶（Z. Li, Li, Li, Zhou, & Wang, 2020）。值得注意的是，小于5纳米的微塑料可以通过亲脂或亲水途径穿透叶表皮而不引起可见的结构破坏（Eichert & Goldbach, 2008）。一旦进入植物体内，微塑料会通过引发过量的活性氧（ROS）产生氧化应激，破坏膜稳定性，抑制细胞分裂，限制根系生长和整体植物发育（Aqeel et al., 2025; Chen et al., 2023; Giorgetti et al., 2020; Irshad et al., 2024）。Boots、Russell和Green（2019）的研究表明，高密度聚乙烯（HDPE）和聚乳酸（PLA）对黑麦草（Lolium perenne）的生长和发育有显著影响（Boots et al., 2019）。微塑料还会损害参与葡萄糖代谢的酶，并下调与植物生长调节相关的基因（Zhou et al., 2021）。值得注意的是，微塑料暴露还会改变水果的营养成分（Alharbi et al., 2023）。在小麦和水稻等作物中，暴露于聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）等微塑料会以剂量依赖的方式降低光合作用活性（Alwutayd et al., 2025; Lian et al., 2020）。同样，暴露于100纳米PS微塑料的蚕豆（Vicia faba）比暴露于较大（5微米）PS微塑料的蚕豆表现出更强的基因毒性和氧化应激（X. Jiang et al., 2019）。微塑料对植物生长和发育构成严重威胁，这凸显了在环境压力日益加剧的情况下，迫切需要实施可持续且经济有效的策略来保护粮食生产和确保食品安全。现代农业和科学的最新进展表明，褪黑素（MEL）是一种环保的促进植物生长和发育的物质（Dradrach et al., 2022; Yang et al., 2023）。褪黑素是一种天然存在的多功能分子，在调节植物生长、应激信号传导和免疫功能中起着关键作用（Ahmad et al., 2024; Hasan et al., 2015; Muhae-Ud-Din et al., 2025; Yee et al., 2021）。它作为强效抗氧化剂，激活防御相关基因，增强植物抵抗应激的能力（Y. Jiang et al., 2022; Song, Sun, Yang, Liang, & Teng, 2025）。早期研究结果表明，褪黑素通过限制微塑料吸收并缓解其毒性效应来促进小麦幼苗生长，部分机制涉及调节与水通道蛋白相关的基因表达（S. Li et al., 2021）。褪黑素通过协调氧化还原信号传导和代谢过程来减轻植物毒性，既直接清除ROS，又调节抗氧化和应激响应途径，从而维持细胞氧化还原平衡（Arnao & Hernández-Ruiz, 2015）。此外，褪黑素还调节初级和次级代谢过程，如碳水化合物分配、氨基酸周转和渗透压物质积累，从而提高植物的抗逆性（Khan et al., 2020）。褪黑素的应用提高了非生物胁迫下大麦幼苗的ABA水平，改善了植物的水分状况，并增强了亚细胞抗氧化系统的调节（Li et al., 2016）。其结构与吲哚乙酸（IAA）相似，也可能参与调节植物抗性相关途径（Zhang et al., 2022）。

玉米（Zea mays L.）是全球农业食品系统的重要组成部分，在全球约1.97亿公顷的土地上种植（Food & Affordable, 2022）。玉米是许多地区的基本食物来源，尤其是在撒哈拉以南非洲、拉丁美洲和亚洲，提供了全球每日膳食热量的20%以上（Shiferaw, Prasanna, Hellin, & B?nziger, 2011）。玉米极易受到各种非生物胁迫和环境污染物的影响，这些因素会显著降低其生长和产量（Khalili, Naghavi, Aboughadareh, & Rad, 2013; Song et al., 2025）。越来越多的证据表明，微塑料暴露会对玉米植物造成明显的植物毒性效应，影响其生长和整体表现。例如，低密度聚乙烯（LDPE）与土壤中的镉（Cd）协同作用，导致关键植物生长参数显著下降（J. Zhang et al., 2024）。同样，聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP）微塑料增加了玉米植物中镉的生物可利用性，导致严重的植物毒性效应（Zhao et al., 2023）。然而，能够有效缓解不同玉米品种受微塑料毒性的方法仍大多未被探索。为填补这一知识空白，本研究结合了生理测量、生化分析、抗氧化防御分析、渗透压物质定量以及光合特性评估，以确定外源褪黑素是否可以抵消微塑料对玉米生长的抑制作用。鉴于褪黑素经济实惠且对人类和动物安全，将其作为生物刺激剂应用于农业可能是一种有价值且可行的策略。越来越多的研究调查了各种化合物的叶面施用来限制环境胁迫并提高植物的抗逆性（Y. Jiang et al., 2022; Memari-Tabrizi, Yousefpour-Dokhanieh, & Babashpour-Asl, 2021）。因此，我们假设叶面施用褪黑素可以通过增强生理表现和强化相关抗逆属性来缓解微塑料引起的生长抑制。本研究的目标是：（1）量化外源褪黑素对微塑料胁迫下玉米生长和应力指标的影响；（2）通过测量光合作用、渗透压物质积累和养分稳态来表征褪黑素介导的生理和生化调节；（3）阐明褪黑素通过哪些抗氧化防御机制来减轻植物毒性。

**材料与方法**
五种玉米品种（FH2018、Malka、FH1046、FH2335、R4040）的种子来自巴基斯坦费萨拉巴德的Ayub农业研究所。为确保实验一致性，选择了健康的玉米种子，用5%的次氯酸钠表面消毒10分钟，并用蒸馏水彻底冲洗。消毒后的种子在蒸馏水中浸泡12小时。之后，将种子放在带有湿润棉花的培养皿中，并置于完全黑暗的环境中。

**讨论**
微塑料暴露抑制了玉米的生长，而褪黑素部分缓解了这些负面影响。PVC和PE微塑料暴露显著抑制了所有玉米品种的生长和生物量，而褪黑素的施用部分缓解了这些效应（图1）。三因素方差分析显示，品种和褪黑素施用对所有生长性状都有显著的主效应，而微塑料类型对除根长以外的所有性状都有显著的主效应（p < 0.05）（表S3）。品种与微塑料之间的交互作用对根长和生物量性状有显著影响。

**结论**
本研究表明，微塑料（PE和PVC）暴露会损害植物表现，而外源褪黑素的施用在不同玉米品种中有效减轻了由微塑料引起的植物毒性效应。褪黑素通过降低MDA水平、提高抗氧化酶（SOD、 POD、CAT）活性以及非酶抗氧化剂（AsA、GR、GSH）水平，增强了植物的抗逆性。这些协调的抗氧化调节有助于恢复氧化还原平衡。

**作者贡献声明**
Ali Noman：研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
Muhammad Aqeel：验证、软件、方法学。
Muhammad Kashif Irshad：写作-审稿与编辑、软件、方法学、研究。
Osman Sonmez：监督、项目管理、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
作者还感谢土耳其TUBITAK-2221项目以及土耳其凯塞里埃尔吉耶斯大学提供的实验和实验室工作所需的设施。

**致谢**
作者还感谢TUBITAK通过TUBITAK-2221计划以及土耳其埃尔吉耶斯大学为该项目提供的支持。