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污染物环境过程与全球变化团队季荣教授在《Environmental Science & Technology》期刊发表最新研究成果

       2019年4月24日,南京大学环境学院污染物环境过程与全球变化团队在《Environmental Science & Technology》上在线发表了题为“Metabolomics Reveal the “Invisible” Responses of Spinach Plants Exposed to CeO2 Nanoparticles”的研究成果。此项工作结合表型和代谢产物分析,揭示了具有类抗氧化酶活性的纳米二氧化铈对于菠菜叶片和根的生理代谢的影响。
       纳米二氧化铈(CeO2 NP)具有优异的活性氧(ROS)清除活性,不仅能够保护植物光合作用免受氧化胁迫,促进植物生长,而且还能提高植物对外界胁迫耐受能力,比如非生物(高盐)和生物(病原菌)胁迫,因而具有良好的农业应用前景。但是,也有报道称纳米二氧化铈会对植物造成氧化胁迫(如脂质过氧化、细胞膜损伤等)。目前,纳米二氧化铈对植物的正面和负面效应的机理尚不明确。因此,在分子水平上研究纳米二氧化铈与植物相互作用的机理,对其在农业中的可持续应用具有重要意义。
       为了研究二氧化铈纳米颗粒对植物生长的影响,研究小组首先合成具有类SOD和CAT活性的纳米二氧化铈,继而对4周龄的菠菜进行叶面暴露3周(0.3和3 mg/株),观察菠菜长期暴露于纳米二氧化铈的生理代谢变化。结果表明,表型参数(叶绿素荧光、光合色素含量、植物生物量、脂质过氧化和细胞膜通透性)均不受影响。然而,基于气相色谱-质谱(GC-MS)的非靶向代谢组学技术鉴定和定量菠菜叶片和根中的305和206种代谢物,代谢组学分析表明,两种剂量的CeO2 NP均导致叶和根的代谢重编程。有趣的是,低剂量的CeO2 NP(0.3mg/株)比高剂量的CeO2 NP(3 mg/株)诱导菠菜叶片生理代谢产生更强的变化,但是和低剂量相比,高剂量CeO2 NP的引发了根部更多的代谢变化。叶面暴露CeO2 NP(3 mg/株)诱导多种氨基酸(如苏氨酸、色氨酸、L-半胱氨酸、蛋氨酸、环亮氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、酪氨酸和谷氨酸)显著下调。此外,在0.3 mg/株和3 mg/株的条件下,叶片中的Zn分别减少了44%和54%,而根系中的Ca则分别减少了38%和32%。这些结果揭示了纳米二氧化铈对菠菜植株内源性表型和代谢变化的机理和机制。


       本研究的结果为菠菜暴露于纳米二氧化铈的响应提供了新的见解,代谢组学透过表型在分子水平上揭示了植物对CeO2 NP的响应,提供了非常有价值的信息。尽管表型参数没有改变,但低剂量的CeO2 NP(0.3mg/株)显著影响了菠菜叶片的生理代谢,而高剂量的CeO2 NP(3mg/株)抑制了根系氮代谢。此外,叶面喷施两种剂量的CeO2 NP均影响营养元素Ca和Zn的吸收。研究结果对二氧化铈纳米材料在农业中安全、可持续地使用具有一定的参考价值,且提醒我们当受益于纳米材料独特且优异的物理化学性能时,生物生理活动中隐藏的、不可预料的代谢变化是不可忽视的。
       南京大学硕士研究生张慧玲为论文第一作者,季荣和赵丽娟为该篇论文的共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金委的支持。

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