市农科院安全营养所在纳米塑料研究方向取得新进展

摘要：近日，市农科院安全营养所在JCR Q1期刊《Environmental Pollution》（IF=7.6）在线发表了题为“Effects of nanoplastics on the growth, transcription, and metabolism

近日，市农科院安全营养所在JCR Q1期刊《Environmental Pollution》（IF=7.6）在线发表了题为“Effects of nanoplastics on the growth, transcription, and metabolism of rice (Oryza sativa L.) and synergistic effects in the presence of iron plaque and humic acid”的研究论文。该论文揭示了纳米塑料对水稻生长、转录和代谢的影响及其在根际铁膜和腐殖酸存在下的分子机制。相关结果可为纳米塑料污染的农业生态风险评估和污染防控措施的制定提供重要依据。

纳米塑料（NPs）是一种粒径小于100 nm的塑料碎片，属于新型环境污染物。随着人类经济活动和塑料产品使用的不断增加，NPs污染已成为全球性的环境问题，其广泛分布在土壤和水体中，对生态系统和人类健康构成了潜在威胁。水稻是作为世界第二大粮食作物，为全球一半以上的人口提供食物。研究表明，NPs不仅对水稻的生长、发育和生理特性有不利影响，还可经水稻根系进入并转运到谷物中积累，最终通过食物链危害人类健康。水稻根际铁膜（IP）和腐殖酸（HA）作为稻田系统中典型化合物，不仅影响NPs在稻田土壤中的迁移行为，还可能调控水稻根系对NPs吸收。然而，目前对IP和HA对NPs吸收和转运的综合影响研究较少。在IP和HA存在的情况下，水稻根系吸收NPs后介导的水稻生长的生理和分子机制尚不清楚。

本研究以水稻为研究对象，讨论了水稻在IP和HA存在下暴露于粒径20 nm的不同浓度商品NPs的生理毒性效应，利用多种显微技术表征了NPs在根系中的分布，并结合转录组和代谢组揭示了NPs对水稻毒性的潜在分子机制。

主要研究结果：NPs在水稻根表面被吸收进入细胞，共聚焦激光扫描显微镜证实了NPs被根的吸收。NPs处理降低了根的超氧化物歧化酶（SOD）活性（28.9%～44.0%）和蛋白质含量（31.2 %～38.6%）。在NPs胁迫下，IP和HA（5mg/L和20 mg /L）降低了根的蛋白质含量（20.44%～58.3%和44.2%～45.2%），提高了根的木质素含量（22.3%～27.5%和19.2%～29.6%）。IP抑制了NPs诱导的SOD活性下降趋势（19.2%～29.5%），HA促进了这一趋势（48.7%～50.3%）。转录和代谢组学分析表明，NPs抑制精氨酸的生物合成以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代谢，并激活与木质素相关的苯丙素生物合成。IP和HA的共存对NPs诱导的氨基酸代谢和苯丙素生物合成有积极影响。氨基酸代谢的抑制可能影响蛋白质的生物合成，从而导致根蛋白含量的降低。苯丙素生物合成的激活导致作为次生代谢物的根木质素含量增加，促进胞外屏障的形成，最终抑制NPs的吸收和运输。

综上所述，NPs对水稻构成很大的风险；然而，天然矿物质和根际环境中的HA可能会影响其环境风险。因此，在预测NPs在溶液－植物界面的命运和毒性时，应考虑共存矿物和HA以及环境条件的影响。本研究不仅有助于揭示NPs在植物中扩散的潜在影响，也为NPs生态风险评估和污染防控提供了数据支持。安全营养所欧阳小雪博士为该论文的第一作者，该研究得到了国家自然科学基金（42377409和42307511）、天津市自然科学基金（23JCYBJC00310）和中国农业科学院科技创新工程项目共同资助。