天天要闻：非靶向代谢组学探究银纳米离子对水稻代谢谱、土壤微生物群落影响

前言

【资料图】

银（Ag）的抗菌作用早已被人们所认识。在中国古代医学著作《本草纲目》中，Ag被用于治疗与感染相关的疾病。由于纳米银粒子（AgNPs）的抗菌性能优异，AgNPs越来越多地用于各种产品，包括运动服装、化妆品、药品、食品容器、牙膏管和婴儿奶瓶等，这也导致了银离子通过再生水等途径被大量排放到农业环境土壤中。因此，了解AgNPs在作物中的吸收、生物累积和植物毒性对于环境和健康安全至关重要。

2022年4月，南京大学环境学院赵丽娟课题组在Environmental Science Nano期刊发表的题为“Rice exposure to silver nanoparticles in a life cycle study: effect of dose responses on grain metabolomic profile, yield, and soil bacteria”的文章，该研究利用GC-MS非靶向代谢组学、微生物16s rRNA测序等多组学阐述了银纳米离子对水稻籽粒代谢谱、产量以及土壤中微生物种群的影响。

中文标题：水稻暴露于银纳米粒子的生命周期研究:剂量反应对谷物代谢谱、产量和土壤细菌的影响

研究对象：水稻

发表期刊：Environmental Science Nano

影响因子：9.473

发表时间：2022年4月29日

运用生物技术：微生物16s rRNA测序、GC-MS非靶向代谢组学（由鹿明生物提供支持）

研究思路

研究结果

1、纳米银离子对水稻生长的影响

株高是决定水稻整体株型和产量的重要农艺性状，1mg/kg实验组浓度的AgNPs改良土壤中生长的水稻明显比对照组植株高（图1A），且从孕穗期到成熟期，这种表型差异一直存在，但10mg/kg AgNPs （107.7 cm）处理对株高无显著影响。

水稻分蘖是另一个重要的农艺性状，在分蘖初期，1mg/kg 浓度的AgNPs有明显的增加分蘖数的趋势（图1C）。分蘖末期，1mg/kg浓度的AgNPs组植株分蘖数（18.5个/株植物）比对照（每株13.3个）高39.6%（p < 0.01）。相比之下，10mg/kg浓度的AgNPs不影响分蘖数（每株11.9）。

叶片光合作用是生物量积累和产量的重要决定因素。在灌浆期，与对照组相比，暴露于1mg/kg浓度的AgNPs组叶绿素含量显著增加9.6%（p < 0.05）（图1D），然而，10mg/kg浓度的AgNPs组的叶绿素含量没有影响。这些发现进一步证实1mg/kg浓度的AgNP暴露能够促进水稻生长和发育。以上研究结果表明，适当剂量的AgNPs可对水稻产量产生积极影响。

图1 | 纳米银粒子（AgNPs） 对水稻生长的影响

2、纳米银离子对水稻产量以及生物量的影响

实验数据表明，与对照相比1 mg/kg浓度的AgNPs组显著（p < 0.05）提高了籽粒产量和地上物质生物量（42.3%和19.7%）（图2B和C），但10 mg/kg浓度的AgNPs显著（p < 0.05）降低了籽粒产量和地上生物量（26.4%和28.1%）。这些结果表明，剂量是决定AgNPs对水稻的毒性或效益的关键因素。低剂量AgNPs诱导阳性效应而高剂量AgNPs诱导植物毒性的机制尚不清楚。AgNPs或Ag离子能够触发ROS的产生，这是一个共识，尽管其机制尚不清楚。

在较好水平的ROS可以作为信号分子，激活信号转导通路以应对压力低剂量的AgNPs产生适量的ROS可能对水稻植株有一定的刺激作用。这些由低剂量的AgNPs产生的刺激效应可能是一种“激效”效应适量的AgNPs产生的ROS可能启动植物的防御途径，刺激植物的生长。在较高剂量的AgNP暴露下，ROS可能会过度生成，并不能被植物抗氧化系统（酶和非酶反应）充分解毒，随后导致细胞氧化还原状态失衡，抑制植物生长认识到纳米银对观察到的生物效应的潜在贡献也很重要。

图2 | 纳米银粒子（AgNPs） 对水稻生长的影响

3、水稻对银离子的吸收和分配

根、茎、叶、稻壳、麸皮(谷物的褐色外层)和精米颗粒中的Ag含量通过ICP-MS测定。如图3所示，根和茎中的Ag含量随着土壤AgNP含量的增加而增加，呈剂量依赖性。这表明银可以在根部积累并转到地上组织，尽管该元素的形式(即离子或颗粒)未知。在叶片中，Ag含量在各处理之间没有变化，表明Ag没有从茎转移到叶片，但是，稻壳中的银含量分别为1.49、3.12和4.69mg/kg，这些数据证明Ag可以直接从茎转移到穗上。与对照组相比，暴露于1mg/kg的AgNPs后，麸皮中的Ag含量没有显著增加，而暴露于10mg/kg时，麸皮中的Ag含量增加了3倍。

在抛光的米粒中，银含量范围为0.98-1.38mg/kg，其并不随处理而变化，这表明银不会在水稻的可食用组织中生物累积。AgNP暴露可导致银在水稻种子中积累，且银主要分布在稻壳和谷物表面(麸皮)，在评估剂量下不会进入精米，这表明通过食物链转移到人类的风险较低。

图3 | 水稻对银的吸收和分配

4.水稻籽粒的GC-MS非靶向代谢组学检测

GC-MS非靶向代谢组生信分析发现，几种脂肪酸（花生酸、月桂酸和亚麻酸）在暴露于1mg/kg AGNPS后显著增加（图4C）。此外，有机酸如异柠檬酸、奎尼酸、乙醇酸、核糖酸、己二酸、山嵛酸和2，4-己二烯酸因暴露于AgNPS而显著增加。许多上调的代谢物具有有趣的功能，例如，萘普生，一种非甾体抗炎药，在暴露于1mg/kg AGNPS时增加了2.3倍；苄醇具有抗细菌和抗真菌的特性，在AgNPS暴露下增加了2.2倍；一直被用作抗惊厥药的甲基巴比妥，在AgNPS治疗后增加了1.87倍。总之，1mg/kg AgNPS暴露刺激了次级防御相关代谢物的合成。

与此同时，暴露于AgNPs后，谷物中的一些初级代谢物下调，许多三羧酸循环(TCA循环)中间体，包括柠檬酸、马来酸、衣康酸和富马酸，在AgNP处理后下调(图4C)。另一个值得注意的变化是，一些抗氧化剂相关的代谢物在暴露于AgNP的水稻谷粒中减少，包括3，4-二羟基肉桂酸、绿原酸、氢化肉桂酸和谷胱甘肽(图4C)，已知这些化合物通过清除ROS参与抗氧化防御系统。此外，这些酚类化合物的前体色氨酸和苯丙氨酸也减少了。虽然确切的机制尚不清楚，但AgNP产生的ROS可能在早期发育阶段对TCA循环和抗氧化防御系统具有刺激作用，并且这种作用贯穿整个生命周期并改变谷物代谢组。

总的来说，AgNP暴露并没有诱导谷物代谢物的系统性上调或下调。然而，许多重要的代谢产物，包括卡尔文循环中间产物(葡萄糖-6-磷酸、D-核糖-5-磷酸、葡萄糖-1-磷酸、果糖-6-磷酸、葡萄糖、蔗糖)、必需氨基酸(缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、组氨酸)和维生素(抗坏血酸和生育酚)未因AgNP暴露而改变，表明对谷物代谢组的影响较小。

图4 | 水稻籽粒的代谢组学分析

5、纳米银对土壤微生物群落组成的影响

为了确定AgNP暴露对土壤微生物群落的影响，进行了高通量细菌16s rRNA基因测序。在暴露于1mg/kg AgNPs时，弗兰克氏菌目、棒状杆菌目、根瘤菌目、几丁质菌目、酸菌目、热微生物目和糖单胞菌纲会系统地增加，这些细菌大多数被报道为促进植物生长的根际细菌(PGPR)。总的来说，PCoA和LEfSe分析表明，1mg kg-1的AgNP暴露导致土壤细菌群落发生了明显有利于植物生长的变化。

图5 | 纳米银对土壤微生物群落组成的影响

研究讨论

由于银纳米颗粒或银离子引发的活性氧，银纳米颗粒长期以来似乎对植物有毒，诱导氧化应激，影响光合速率，并抑制植物生长。然而，本文章研究的农业非点源污染对水稻及其土壤微生物群落的结果表明，1mg/kg 的AgNPs促进水稻分蘖，从而提高产量。相反，10mg/kg 的AgNPs显著降低水稻产量和生物量。在评估剂量下，银不会在大米(精米)的可食用组织中积累，表明对食品安全和人类健康的风险可能较低。

小鹿推荐

本研究为了探究环境污染导致的银离子残留对水稻生长的影响，运用16s rRNA转录组测序和非靶向代谢组学，研究了不同浓度的银离子对水稻籽粒中的代谢谱和土壤微生物结构，发现低浓度的银离子残留能改变土壤中的微生物群落结构，促进水稻植株生长，从而提高水稻的产量。

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本文系鹿明生物原创

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关键词： 代谢组学 土壤微生物群落 显著增加

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