烟草叶片对两种多溴联苯醚的响应与适应机制

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.128012

多溴联苯醚（PBDEs）作为一种具有良好热稳定性的溴化阻燃剂，在世界范围内被广泛应用于塑料制品、电子产品和建筑材料等领域。PBDEs很容易释放到水、土壤、大气等环境中。PBDEs具有持久性、亲脂性、难降解和易于生物浓缩等特点，严重危害植物、动物和人类健康。

在众多PBDEs中，十溴联苯醚（BDE209）是使用广泛的，约占PBDEs总量的70%，因其完全溴化，毒性低；四溴联苯醚（BDE47）不仅使用广泛，而且易在生物体中富集，具有更大的毒性。

目前，针对PBDEs对植物的毒性研究已经取得了一定的进展，但系统的毒性机理研究，尤其是引起植物毒性的分子机制还很缺乏，关于植物如何适应PBDEs的研究更是少之又少。近期，东北林业大学生科院孙广玉教授课题组以应用广泛但毒性不同的两种多溴联苯醚BDE47和BDE209为研究对象，研究其对烟草生长、叶绿素合成、光合电子传递链、激素信号转导和ROS代谢等生理过程的影响，并利用生理和转录分析技术首次揭示了相关基因表达的变化，全面系统地阐述了BDE47和BDE209对植物的毒害作用及其分子机制，为深入了解PBDEs对植物的毒性机理和植物适应PBDEs污染的机制提供了一些基础数据。

该研究中使用英国Hansatech公司生产的M-PEA-2多功能植物效率分析仪和FMS-2叶绿素荧光仪测定了不同处理的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（OJIP曲线）和叶绿素荧光参数。研究结果“The phytotoxicity of exposure to two polybrominated diphenyl ethers (BDE47 and BDE209) on photosynthesis and the response of the hormone signaling and ROS scavenging system in tobacco leaves”发表在Journal of Hazardous Materials（IF=10.5886）杂志上。

生长抑制是植物在逆境下直观的表现之一。该研究中，烟草经过BDE47和BDE209处理之后，总体表现是叶片变小变黄，毒性更强的BDE47对地上生物量造成的伤害显著高于BDE209。

图1 BDE47和BDE209处理下烟草植株表型(A)、叶长(B)、叶宽(C)、地上生物量(D)、地下生物量(E)

烟草在经过处理之后叶片变黄的主要原因是叶绿素含量的下降。BDE47和BDE209均导致Chl a+b显著下降，但两者作用不同。烟草叶片中的Chl a对BDE47更敏感，而BDE209主要抑制Chl b的合成。结合转录组分析发现，BDE47处理之后，28个叶绿素合成相关的基因表达显著下调，BDE209则造成24个基因表达下调。其中，BDE209抑制了Chl b合成途径关键酶叶绿素a加氧酶（CAO）基因的表达，进而抑制Chl b的合成。

 图2烟草叶片Chla、Chlb、Chla+b、Chla/b含量变化和叶绿素合成基因表达的热点图

叶绿素含量的下降将直接影响植物对光能的捕获。本研究中，与对照相比，暴露于BDE47和BDE209后差异显著的KEGG途径是光合作用天线蛋白（map00196）。BDE47和BDE209均显著下调构成LHC蛋白的基因表达，其中，BDE47造成的危害高于BDE209，且两者对LHCⅡ的影响大于LHCⅠ。

图3 BDE47和BDE209处理烟草叶片KEGG途径富集化分析

     光合作用是对胁迫敏感的过程之一。与大多数非生物胁迫类似，PBDEs胁迫也会降低植物的光合作用能力。BDE47降低了PSⅡ和PSⅠ的活性（Y(Ⅱ)、PIABS、PItotal、ΔI/Io均显著下降，VJ和VK均显著增加），但没有导致显著的光抑制（Fv/Fm无显著变化）；BDE209只显著降低了Y(Ⅱ)和ΔI/Io，显著增加VJ，但PIABS、PItotal、Fv/Fm和VK无显著变化。两者处理后，Y(NPQ)均显著增加。表明，BDE47和BDE209降低了PSⅡ的活性，但是没有导致光抑制，主要是调节性非光化学能量耗散Y(NPQ)增加起了作用。

图4 BDE47和BDE209处理下烟草叶片快速叶绿素荧光动力学曲线（OJIP曲线）和叶绿素荧光参数的变化

结合转录组分析发现，在光合作用电子传递过程中，BDE47影响的光合作用相关的DEG数量显著高于BDE209，这些DEG均为表达下调，且PSI相关的DEG数量显著高于PSII。BDE47和BDE209还显著上调了玉米黄质合成途径关键酶-β-胡萝卜素羟基酶（BCH）的基因表达，有助于玉米黄质的合成，促进叶黄素循环，启动调节性能量耗散，保护烟草叶片的光合作用机制。

  图5 BDE47和BDE209处理下烟草叶片光合作用天线蛋白和光合作用电子传递蛋白关键基因表达热点图

烟草经BDE47和BDE209处理后，叶片中的ROS显著增加。抗氧化酶活性的提高和相关基因表达的上调有助于清除过量的ROS，防止BDE47和BDE209处理可能引起的过度氧化损伤。

  图6 BDE47和BDE209处理下烟草叶片ROS、抗氧化酶活性变化和ROS清除酶基因表达的热点图

在逆境条件下，植物体内会累积大量脯氨酸（Pro），不仅维持渗透平衡，还可清除ROS。本研究中，烟草经BDE47和BDE209处理后，叶片中Pro的含量均显著增加。结合转录组分析发现，烟草暴露于BDE47和BDE209后，与Pro合成途径相关的基因表达上调，与Pro降解途径相关的基因表达下调，叶片中Pro含量显著增加，以应对PBDEs的胁迫。

  图7 BDE47和BDE209处理下烟草叶片脯氨酸Pro含量及其相关基因表达的热点图

脱落酸ABA和茉莉酸JA作为植物激素，不仅参与植物的生长调控，还可提高植物对逆境的适应能力。本研究中，烟草暴露于BDE47和BDE209后，涉及ABA和JA合成途径的部分基因表达上调，促进ABA和JA的合成；ABA和JA激素信号转导通路的激活则更进一步加强了ABA和JA对烟草适应PBDEs的调控能力。

综上所述，BDE47和BDE209对烟草生长均有抑制作用，其中BDE47的影响更显著。BDE47和BDE209主要影响烟草的光合作用、植物激素合成与信号转导以及对胁迫的响应等代谢过程。