镉胁迫对芥菜生理代谢过程的影响外文翻译资料

镉胁迫对芥菜生理代谢过程的影响

原文作者：Piaopiao Tan, Chaozhen Zeng, Chang Wan, Zhe Liu, Xujie Dong, Jiqing Peng, Haiyan Lin, Mei Li, Zhixiang Liu and Mingli Yan .

单位：Metabolites

摘要：芥菜具有良好的镉积累能力和较高的生物量，因此在镉污染土壤的植物修复中具有巨大的应用潜力。本研究中，我们比较了镉胁迫48h和7d的对芥菜根代谢产物的影响。结果表明，镉胁迫芥菜根的许多代谢途径和代谢产物均发生了显著变化。不同时间镉胁迫的芥菜根，其氨基酸、有机酸、碳水化合物、脂质、类黄酮、生物碱和吲哚含量存在显著差异，这在芥菜根对镉胁迫的适应中起着关键作用。在48h的镉胁迫下，芥菜根可以通过调节氨基酸、氨酰-tRNA、ABC转运蛋白、精氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成，亚油酸、甘油磷脂以及alpha;-亚麻酸代谢来抵抗；在7d的镉胁迫下，则是通过调节alpha;-亚麻酸代谢、甘油和磷脂代谢、ABC转运蛋白和亚油酸代谢来抵抗镉的胁迫。研究芥菜对镉胁迫反应的代谢组学将有助于了解其对镉的耐受性和积累机制。

关键词：芥菜；镉胁迫；途径分析；代谢谱。

1. 引言

近几十年来，采矿、冶炼、制造、农药、污水等人为活动造成的耕地土壤重金属污染愈发严重，污泥和污水灌溉已成为人类健康和农业行业日益严重的环境问题^[1]。世界各地发现的主要有毒重金属包括镉（Cd）、砷（As）和铅（Pb）^[2-4]。其中，镉因其对动植物的毒性和致突变作用而成为最危险的环境污染物^[5]。此外，镉很容易被植物吸收，通过食物链转移到人体，这极大危害了公众健康^[6]。如今，镉对植物的毒性效应已被广泛研究，镉的积累不仅会抑制植物生长^[7]，还会引起多种生理生化变化^[8]。进入植物体内后，会影响植物的光合作用、叶绿素的合成、植物体内的水分交换、矿物质吸收，还会抑制多种代谢过程，诱导氧化应激^[9,10]。

芥菜属于芸苔科，是一种高产、快速生长的双二倍体植物，是中国的主要作物之一^[11]。芥菜由于其高度的金属富集能力，可以从受污染的土壤中积累Cd、Cu、Cr、Zn、Ni、Au、Se和其他重金属，因此被认为是一种可以“提取”重金属的植物^[12]。与其他重金属积累植物相比，芥菜具有独特的重金属富集特征^[13]。积累的证据表明，芥菜具有特定的生理机制和结构特征，有助于适应高浓度重金属环境，并在体内积累有害重金属离子^[14,15]。因此，从优化芥菜对镉的植物修复的角度来了解镉的毒性或解毒机制具有重要意义。

植物代谢研究旨在帮助理解植物在应对环境变化或基因突变时的基本代谢机制^[16,17]。芥菜是研究次生代谢物代谢变化、了解代谢网络、探索富含镉植物耐镉或超积累镉的可能机制的良好选择^[18]。Luo等人^[19]采用基于气相色谱-质谱（GC-MS）的代谢组学方法研究了镉胁迫下东南景天根系分泌物的代谢谱变化，发现不同镉处理下有12种根系分泌物存在显著差异。Navarro Reig等人^[20]利用LC-MS，结合多元统计方法，分析了镉和铜胁迫下水稻代谢产物的变化，鉴定出97种具有显著差异的代谢产物。与GC-MS相比，LC-MS具有更高的峰容量、分辨率和灵敏度，适用于分析高沸点、高分子量或热稳定性有限的代谢物；因此，LC-MS更适合检测各种代谢物^[21]。据报道，与重金属解毒有关的代谢物包括有机酸、氨基酸、肽、谷胱甘肽和植物螯合素^[14]。然而，潜在的代谢机制尚不清楚。

在本研究中，基于LC-MS的非靶向代谢组学方法被应用于研究镉胁迫下芥菜的特性。利用主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）等多元统计分析方法，对芥菜的代谢组学特征进行了评价，分析了不同代谢产物的代谢途径，并探讨了芥菜镉毒害的可能机制。

1. 结果和讨论

2.1. 不同时期镉胁迫下镉含量的变化

如图1所示，随着镉胁迫时间的延长，芥菜根中的镉含量呈增加趋势，胁迫时间越长，镉含量越高。镉处理七天后，芥菜叶片中的镉含量超过100 mg/kg DW（图1），该值被认为是镉超积累物的阈值^[22]。因此，芥菜具有较强的镉积累能力。根中镉含量显著高于叶片，镉在48h和7d的易位指数分别为0.007和0.025。这表明芥菜吸收的大部分重金属都在根中积累，一小部分被运输到叶片中，这与Ahmad等人^[23]的结果相似。

图 1不同镉胁迫时期芥菜中镉含量的变化。用三个生物复制品进行分析。误差条表示平均值的标准误差（SEM）。0小时（T1）、48小时（T2）和7天（T3）。通过LSD测试，不同处理的不同字母均值在plt;0.05时显著不同。大写字母（A-C）和小写字母（A-C）分别表示叶和根中镉含量的显著差异。

2.2. 镉胁迫下不同时期生物量的变化

镉胁迫48h和7d后，处理组和对照组之间的芥菜株高和根长没有显著差异（图2）。但就植株干重而言（图3），与对照相比，镉胁迫7天后，芥菜的生长受到显著抑制（plt;0.01）。

在48小时镉胁迫下，芥菜植株没有观察到明显的现象，而7天镉胁迫导致叶片失绿（图4A-C）。应力诱导的根尖细胞死亡或损伤可通过伊文思蓝染色检测^[24]。埃文斯蓝染色显示，镉处理植株根尖有大量细胞受损（蓝色），镉胁迫下分生组织区的细胞死亡更严重（图4D-F）。此外，随着镉胁迫时间的延长，细胞的损伤变得更加严重。

图 2同镉胁迫时期芥菜株高（A）和根长（B）的变化。用30个生物重复进行分析。误差条表示平均值的标准误差（SEM）。星号表示plt;0.05（*）、0小时（T1）、48小时（T2）和7天（T3）的平均值之间存在统计显著差异。LSD测试显示，plt;0.05（*）时的差异显著。

图 3芥菜生物量的变化。用30个生物重复测定了地上部（A）和根系（B）的干生物量。误差条表示平均值的标准误差（SEM）。星号显示在plt;0.01（**）、0小时（T1）、48小时（T2）和7天（T3）的平均值之间存在统计学显著差异。

图 4不同镉胁迫时间的芥菜植株和伊文思蓝染色根尖。（A，D）（T1）：0小时；（B，E）（T2）：48小时；（C，F）（T3）：7天。

2.3.芥菜的LC-MS非靶向分析

在正电离和负电离的模式下测定了芥菜样品（T1、T2和T3）的基峰色谱图（BPC）。代谢产物在T1、T2和T3样本之间表现出显著差异（补充图S1和S2）。使用LC-MS在ACQUITY UPLC BEH C18柱上在16分钟内分离芥菜代谢组。在正电离模式和负电离模式下，总共从LC-MS数据集中检测到6789和1174种代谢物。

2.4. 不同芥菜样品的多变量分析

采用无监督主成分分析（PCA）观察实验分析过程的稳定性。如图S3所示，QC样本与实验中的总方差进行了密切比较，这表明数据集具有很高的稳定性和可重复性。图S4A和S5A显示，在芥菜样品中成功分离出PC1和PC2，表明不同时间镉胁迫下芥菜根系的代谢特征显著不同。结果表明，两个主成分（PC）解释了62%（T2/T1对照组）（图S4A）和52.2%（T3/T1对照组）的方差（图S5A）。使用监督PLS-DA和OPLS-DA来区分代谢谱的差异，并找出各组之间的差异代谢产物。如图S4B和S5B所示，在T2/T1对照组，PLS-DA的R2Y和Q2值分别为0.989和0.905，在T3/T1对照组，分别为0.996和0.944。T2/T1对照组OPLS-DA的R2Y和Q2值分别为0.97和0.876，T3/T1对照组分别为0.996和0.944（图S4C和S5C）。为了防止OPLSDA模型过度拟合，采用7倍交叉验证和200反应置换试验（RPT）的方法来检验模型的质量。交叉验证的R2和Q2截距分别为0.79和minus;T2/T1对照组为0.482，和minus;T3/T1对照组分别为0.373（图S4D和S5D）。

这些结果表明，模型是可靠和稳定的。

2.5. 差异代谢物分析

综合多变量和单变量结果，以获得筛选差异代谢物的标准，选择T2和T1、T3和T1之间的差异代谢物^[25]。当VIPgt;1且p值lt;0.05时，芥菜根的差异代谢产物被选择。折叠变化（FC）表示两组样品中代谢物平均含量的比率。Log2（FC）gt;0的差异代谢物表示上调，Log2（FC）lt;0表示下调。差异代谢物包括氨基酸、有机酸、碳水化合物、脂质、类黄酮等（补充表S1和S2）。

2.5.1. 氨基酸

如表S1和S2所示，T2/T1和T3/T1组中分别鉴定出54（33上调；21下调）、66（31上调；35下调）种不同的氨基酸及其衍生物。我们发现，48小时和7天的Cd处理可以刺激某些氨基酸及其衍生物的上调或下调，并且芥菜根的品种和数量差异很大（表S1和S2）。镉胁迫48小时后，芥菜根中的L-天冬氨酸、L-赖氨酸、L-精氨酸、L-谷氨酸、beta;-酪氨酸和赖氨酸显著增加。镉胁迫7d后，赖氨酸、组氨酸和谷胱甘肽含量显著增加，而beta;-酪氨酸和谷氨酰胺（d，L）含量显著降低。

据研究，氨基酸及其衍生物主要通过羧酸（–COO）和胺（–NH2）基团与重金属离子形成复合物，从而赋予植物对重金属的耐受性^[26,27]。镉导致莴苣中天冬酰胺、蛋氨酸和赖氨酸的增加^[28]。在干旱胁迫下，天冬酰胺和谷氨酰胺的积累可以重新吸收释放的游离氨基酸，有助于减少氨盐对植物的毒性作用^[29]。在这项研究中，N-油酰天冬酰胺在镉处理（7天）后显著增加，但在48小时镉胁迫下没有显著变化。在T2/T1和T3/T1中，L-赖氨酸的含量均显著增加。在热胁迫下，羊栖菜叶片中也有类似的结果^[30]。在植物对非生物胁迫的反应中，氨基酸，尤其是脯氨酸这种被广泛研究的分子。许多植物在水分亏缺^[31]、盐胁迫^[32]、低温胁迫^[33]和其他一些非生物胁迫下积累脯氨酸。如表S1和S2所示，大多数脯氨酸衍生物在镉胁迫下也出现上调。一些脯氨酸衍生物的积累可以提高植物的非生物胁迫抗性^[34]。

酪氨酸是一种芳香族氨基酸，在植物的发育和防御反应中起着关键的调节作用。它在受到镉胁迫的菊科植物新芽中积累，并减少其抗氧化损伤^[35]。在本试验中，镉胁迫48h后，芥菜根的beta;-酪氨酸含量增加，而镉胁迫7d后，beta;-酪氨酸含量降低。Cosio和Renault[36]报告了类似的结果，即镉处理24小时后，伊乐藻的酪氨酸含量显著增加。这表明酪氨酸可能参与对48小时镉胁迫的反应，并通过其积累减少芥菜中的抗氧化损伤。

支链氨基酸（即亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸）被认为是一些次级代谢物（如生物碱和糖苷）的前体，并参与生物和非生物应激反应^[36]。之前的研究报告称，镉胁迫下，龙葵根^[37]和五倍子茎^[36]中积累了异亮氨酸和缬氨酸水平。在本研究中，L-异亮氨酸在T2/T1时显著上升，但在T3/T1时没有显著变化。与7天镉胁迫相比，48小时镉胁迫下L-异亮氨酸的浓度更高。缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成可以抵抗重金属胁迫下的渗透失衡^[38]，并在短时间镉胁迫下在芥菜根中富集，这解释了我们目前研究中L-异亮氨酸含量的变化。

组氨酸可以调节某些氨基酸的合成，并参与螯合和运输金属离子，从而在重金属胁迫中发挥重要作用^[39]。我们的研究发现，随着镉浓度的增加，L-组氨酸含量显著提高。同样，在镉胁迫下的菊科植物叶片中也报告了这一结果^[35]。

谷氨酸是几种与应激密切相关的氨基酸的前体，包括脯氨酸、精氨酸和gamma;-氨基丁酸。研究表明，谷氨酸参与了对重金属胁迫的反应；此外，外源谷氨酸（而非谷氨酰胺）显著减轻了水稻中镉的毒性^[40]。如表S1和S2所示，L-谷氨酸在T2/T1中显著增加，谷氨酰胺（D，L）在T3/T1中显著降低。因此，与谷氨酰胺相比，L-谷氨酸在芥菜的镉耐受中起着更重要的作用。精氨酸是多胺的前体，在植物抗逆性中起着关键作用^[41]。精氨酸生物合成在48小时镉胁迫下富集，这解释了本研究中L-精氨酸含量的变化。

2.5.2. 有机酸

植物根系分泌的有机酸可以通过改变重金属的形态来降低其毒性，从而促进植物对重金属的吸收^[42]。此外，重金属可以与储存在液泡中的低分子量有机酸螯合，并转化为低毒或无毒的螯合状态，以帮助植物抵御压力，这是重金属防御系统的常见机制^[43]。在本研究中，我们在T3/T1和T2/T1对照组中分别检测到16和14种有机酸，其中大多数是上调的。也有报告称，镉有机酸复合物的形成刺激了玉米根系吸收更多的镉^[44]。草酸二丁酯的含量在T2/T1和T3/T1中都有所增加，并且在T3/T1中增加更多。这表明，其含量随着芥菜根中镉含量

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