一、導(dǎo)讀

PBDEs被公認(rèn)為新興的一種普遍存在的持久性有機(jī)污染物，通常在聚合物泡沫、建筑材料、塑料、電子和家具中用作阻燃劑。其中BDE-47由于分布廣泛，并具有高親脂性和半衰期長(zhǎng)的特點(diǎn)，是在環(huán)境中檢測(cè)到的最普遍的PBDEs之一。2，2‘，4，4’-四溴聯(lián)苯醚(BDE-47)是一種主要的多溴二苯醚(PBDE)。累積的研究表明，BDE-47可以誘導(dǎo)代謝反應(yīng)并改變動(dòng)物和人類(lèi)細(xì)胞中相關(guān)基因的表達(dá)。然而，關(guān)于BDE-47在作物中引起的代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)改變的分子機(jī)制的研究較少。

2，2‘，4，4’-四溴聯(lián)苯醚(BDE-47)是一種主要的多溴二苯醚(PBDE)，因其對(duì)環(huán)境的影響而受到廣泛關(guān)注。本研究分別對(duì)兩個(gè)水稻品種，BDE-47耐受的連粳7號(hào)(LJ-7)和敏感 的品種甬優(yōu)9號(hào)(YY-9)進(jìn)行了代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組分析，研究它們對(duì)BDE-47耐受能力不同的分子機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：

1. LJ-7鑒定到65種代謝物，YY-9鑒定到45種代謝物。耐受品種LJ-7經(jīng)50 mg/kg BDE-47處理后，代謝產(chǎn)物含量顯著升高。敏感品種YY-9代謝物在1 mg/kg和10 mg/kg BDE-47處理后升高，而在50 mg/kg BDE-47處理后下降。

2. 50 mg/kg的BDE-47對(duì)LJ-7的基因表達(dá)影響最大，10 mg/kg的BDE-47對(duì)YY-9的基因表達(dá)影響最大，這與兩個(gè)品種的代謝變化相一致。

3.代謝途徑和KEGG富集分析表明，BDE-47抑制了這兩個(gè)水稻品種能量消耗和生物合成等許多生物學(xué)過(guò)程。而B(niǎo)DE-47增加了YY-9的能量消耗，而抑制了生物合成過(guò)程，導(dǎo)致YY-9對(duì)BDE-47的敏感性。

綜合分析表明，這兩個(gè)水稻品種對(duì)BDE-47反應(yīng)的不同防御能力歸因于它們?cè)谀芰肯牟呗院妥蚜I(yíng)養(yǎng)成分生物合成方面的差異。本研究為多溴二苯醚污染地區(qū)的水稻栽培提供了有益的參考。

原名：Metabolomics and transcriptomics reveal defense mechanism of rice (Oryza sativa) grains under stress of 2,2′,4,4′-tetrabromodiphenyl ether
期刊：Environment International
IF：7.943
發(fā)表時(shí)間：2019.9
通訊作者：朱利中
通訊作者單位：浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選擇BDE-47的耐受性材料LJ-7和敏感性材料YY-9，分別種植于0、1、10和50 mg/kg BDE-47四個(gè)不同濃度 的土壤中，約180天后收集谷物。分析兩個(gè)水稻品種BDE-47濃度及地上部分長(zhǎng)度測(cè)定，同時(shí)去除稻殼后得到糙米進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析。通過(guò)對(duì)差異表達(dá)基因和差異代謝物的聯(lián)合分析，挖掘不同抗性材料對(duì)不同濃度BDE-47的分子響應(yīng)機(jī)制。

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三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1. 兩個(gè)品種籽粒中 BDE-47 含量及形態(tài)性狀研究

• 兩個(gè)品種水稻籽粒中BDE-47 均呈濃度依賴(lài)，且積累量沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明它們的。
• 1、10和50 mg/kg的BDE-47對(duì)LJ-7的莖葉總長(zhǎng)度無(wú)顯著影響。
• 50 mg/kg的BDE-47使YY-9的長(zhǎng)度縮短6.8%。

2. BDE-47對(duì)兩個(gè)水稻品種的代謝物譜分析

通過(guò)GC-MS對(duì)兩個(gè)抗性差異品種籽粒中代謝產(chǎn)物的變化進(jìn)行了分析，經(jīng)BDE-47處理后，兩品種中代謝物含量相比對(duì)照組都發(fā)生明顯變化，尤其是10 mg/kg和50 mg/kg濃度組與對(duì)照組相比差異顯著。這兩個(gè)品種的代謝產(chǎn)物含量表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。與對(duì)照組相比，LJ-7中的65種代謝產(chǎn)物和YY-9中的45種代謝產(chǎn)物的濃度變化顯著。

經(jīng)PCA分析，發(fā)現(xiàn)不同濃度污染物中代謝物分布的區(qū)別：

• 在LJ-7品種中，PC1可以將四組之間的差異分開(kāi)，這解釋了總變異的48.2％。與對(duì)照組相比，暴露于50 mg / kg 的BDE-47的LJ-7籽粒代謝反應(yīng)最為顯著。根據(jù)VIP得分，偏最小二乘判別分析（PLS-DA）確定了15種主要的差異成分，其中最顯著的是D-呋喃糖、蔗糖、亞油酸和D-塔羅糖（圖2a）。
• 與LJ-7品種不同的是，YY-9的PCA模型顯示四個(gè)組之間的PC1分離效果很好，可以解釋68.1％的總變異。與對(duì)照組相比，暴露于10 mg / kg 的BDE-47的YY-9籽粒代謝反應(yīng)最顯著。PLS-DA和VIP值確定蔗糖、甘油酸、亞油酸、棕櫚酸和油酸是對(duì)照和處理YY-9之間差異的主要成分。

圖1在含有0、1、10和50 mg/kg BDE-47的土壤中生長(zhǎng)的水稻籽粒中提取的代謝物的主成分分析(PCA)。a LJ-7子粒的主成分分析。b YY-9子粒的主成分分析

圖2 暴露于0、1、10和50 mg/kg BDE-47的兩個(gè)水稻品種籽粒中前15種代謝物的偏最小二乘判別分析(PLS-DA)的變量投影重要度(VIP)值。a LJ-7 b YY-9

3. 兩個(gè)水稻品種對(duì)BDE-47暴露的轉(zhuǎn)錄組譜分析

RNA-Seq結(jié)果表明，兩個(gè)水稻品種表達(dá)的基因總數(shù)不同。在LJ-7籽粒中檢測(cè)到55802個(gè)基因，在YY-9中檢測(cè)到55986個(gè)基因。

FDR<0.05的基因被定義為差異表達(dá)基因（DEG）。通過(guò)火山圖可以直觀的看到，

• 在LJ-7籽粒中與對(duì)照相比，1、10和50 mg/kg的BDE-47中上調(diào)基因數(shù)分別為213、626和966，下調(diào)基因數(shù)目分別為107、563和620。
• 在YY-9中，與對(duì)照組相比，三個(gè)處理組中上調(diào)基因數(shù)分別為453、818和85個(gè)，下調(diào)基因分別為53、771和291個(gè)（圖4）。

圖4 LJ-7(a-c)和YY-9(d-f)籽粒差異表達(dá)基因(DEG)的火山圖。a，d 1 mg/kg BDE-47處理與對(duì)照相比水稻品種的DEG。b，e 10 mg/kg BDE-47處理與對(duì)照相比水稻品種的DEG。c，f 50 mg/kg BDE-47處理與對(duì)照相比水稻品種的DEG

DEG 的 GO 和 KEGG 富集分析
為了深入了解DEG的生物學(xué)意義，研究人員進(jìn)行了GO和KEGG富集分析。GO富集分析發(fā)現(xiàn)所有DEG可分為生物過(guò)程、細(xì)胞組成和分子功能三大類(lèi)。

KEGG富集分析發(fā)現(xiàn)，

• 當(dāng)LJ-7暴露于10 mg/kg和50 mg/kg的BDE-47時(shí)，LJ-7相關(guān)KEGG通路對(duì)BDE-47的應(yīng)激反應(yīng)要更強(qiáng)烈，響應(yīng)差異基因數(shù)目更多【不同濃度下，響應(yīng)程度不同】。
• YY-9在10 mg/kg BDE-47作用下的反應(yīng)最明顯，其中10條上調(diào)途徑和3條下調(diào)途徑。

KEGG富集分析表明，兩個(gè)品種的代謝途徑均增強(qiáng)，表明DEG與代謝物關(guān)系密切。

整體來(lái)說(shuō)，在YY-9的谷物中TCA循環(huán)增加，而糖和氨基酸的生物合成受到抑制。而LJ-7品種的谷物糖代謝、氨基酸代謝生物合成相關(guān)酶增加。

4. 兩個(gè)水稻品種的代謝途徑分析

研究人員通過(guò)代謝途徑分析暴露于BDE-47的兩個(gè)水稻品種的生物學(xué)過(guò)程的變化。分析發(fā)現(xiàn)，LJ-7和YY-9分別有12條和4條代謝途徑顯著變化。兩個(gè)品種的氨基酸代謝、糖代謝和三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）均發(fā)生了顯著變化。

圖3 DE47對(duì)LJ-7(A)和YY-9(B)細(xì)胞代謝途徑的影響。數(shù)字1-13代表以下途徑：1.亞油酸代謝；2.丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝；3.甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝；4.異喹啉生物堿合成；5.肌醇磷酸代謝；6.乙醛酸和二羧酸代謝；7.α-亞麻酸代謝；8.酪氨酸代謝；9.三氯乙酸循環(huán)；10.甲烷代謝；11.淀粉和蔗糖代謝；12.精氨酸；13.半乳糖代謝。

5. 代謝相關(guān)基因?qū)?BDE-47 的響應(yīng)

為了在轉(zhuǎn)錄組水平上研究BDE-47對(duì)LJ-7和YY-9細(xì)胞的代謝反應(yīng)機(jī)制，研究人員重點(diǎn)研究關(guān)鍵生物學(xué)過(guò)程相關(guān)基因的表達(dá)水平。結(jié)合代謝組學(xué)結(jié)果，重點(diǎn)研究了 糖代謝、氨基酸代謝和TCA循環(huán)途徑的基因表達(dá)。代謝物濃度的變化與相關(guān)酶的基因表達(dá)是一致的。

在LJ-7中，大部分編碼上述三個(gè)途徑中的關(guān)鍵酶的基因表達(dá)上調(diào)：

• 糖代謝方面，除蔗糖磷酸酶、β-呋喃果糖苷酶和糖基水解酶外，其余酶的基因表達(dá)均增強(qiáng)（圖5a）。
• 氨基酸代謝涉及關(guān)鍵氨基酸，如L-酪氨酸、L-天冬氨酸、L-蘇氨酸、甘氨酸、L-丙氨酸、L-賴(lài)氨酸、L-絲氨酸、L-脯氨酸、L-谷氨酸、L-異亮氨酸和4-氨基丁酸(GABA)（圖5c）。
• 如圖3C所示，L-酪氨酸、L-天冬氨酸、L-丙氨酸和L-賴(lài)氨酸可以產(chǎn)生TCA循環(huán)所需的中間產(chǎn)物，部分促進(jìn)了能量消耗。隨著10種相關(guān)酶的上調(diào)，TCA循環(huán)被激活（圖6a）。檸檬酸合成酶、琥珀酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫羧酶與檸檬酸、琥珀酸和α酮戊二酸的生物合成和降解密切相關(guān)。它們的基因表達(dá)模式與這三種有機(jī)酸的代謝變化是一致的。

YY-9與LJ-7相比，大部分編碼上述三個(gè)途徑中的關(guān)鍵酶的基因表達(dá)下調(diào)：

• 參與糖代謝的酶對(duì)BDE-47表現(xiàn)出相對(duì)負(fù)響應(yīng)，基因表達(dá)顯著下調(diào)，這與相關(guān)糖類(lèi)的變化一致（圖5b）。
• 與LJ-7相比，氨基酸代謝表現(xiàn)為L(zhǎng)-蘇氨酸、甘氨酸、L-絲氨酸、L-丙氨酸、L-脯氨酸和GABA之間的簡(jiǎn)單關(guān)系（圖5d）。除磷酸絲氨酸轉(zhuǎn)氨酶外，參與該途徑的酶的基因表達(dá)受到抑制。
• 雖然在TCA循環(huán)中大部分基因的表達(dá)調(diào)控與LJ-7相似，但在YY-9中琥珀酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫羧酶明顯下調(diào)（圖6b）。

YY-9籽粒中的TCA循環(huán)被激活，而糖和氨基酸的生物合成受到抑制。

糖代謝：
LJ-7在暴露于10和50 mg / kg的BDE-47后， d-葡萄糖的含量增加了約1.3倍。d-葡萄糖作為光合作用的重要產(chǎn)物，是谷物的主要的碳和能源來(lái)源。其次己糖激酶的水平增加，由于只有磷酸化的己糖在植物的生命活動(dòng)中有效，因此己糖激酶被認(rèn)為在己糖磷酸化的信號(hào)傳遞中起關(guān)鍵作用。己糖激酶在糖利用的調(diào)節(jié)中起雙重作用，其一可充當(dāng)糖酵解過(guò)程中d-葡萄糖和d-果糖的傳感器；其二可作為ROS自由基的清除劑，防止氧化損傷植物細(xì)胞。LJ-7谷物中的酶和代謝產(chǎn)物共同抵抗BDE-47暴露后的能量消耗。而在YY-9的谷粒中大部分基因受到抑制，與相關(guān)代謝產(chǎn)物的變化一致，這表明YY-9無(wú)法產(chǎn)生更多的能量物質(zhì)來(lái)對(duì)抗BDE-47的暴露。

2個(gè)品種生物合成途徑的變化（糖代謝）

氨基酸代謝：
將LJ-7品種分別暴露于10 mg / kg和50 mg / kg的BDE-47后，籽粒中L-賴(lài)氨酸的含量分別增加了2.9倍和7.4倍。L-賴(lài)氨酸在應(yīng)對(duì)非生物脅迫條件如水分限制、營(yíng)養(yǎng)限制和氧化脅迫中起重要作用。轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)與l-賴(lài)氨酸相關(guān)的基因表達(dá)增強(qiáng)，進(jìn)一步的促進(jìn)賴(lài)氨酸的生物合成從而發(fā)揮抗性品質(zhì)。與LJ-7中的氨基酸不同，YY-9的谷物中氨基酸變化不顯著。綜上所述，兩個(gè)品種之間氨基酸代謝的顯著對(duì)比表明，在暴露于BDE-47的條件下，LJ-7在植物生長(zhǎng)中采取了更為復(fù)雜的反應(yīng)。與YY-9相比，LJ-7中糖和氨基酸的代謝相對(duì)活躍，從而解釋它們對(duì)BDE-47的耐受性的差異。

2個(gè)品種生物合成途徑的變化（氨基酸代謝）

圖5 兩個(gè)水稻品種的兩種生物合成途徑(糖和氨基酸的代謝)。LJ-7(A)和YY-9(B)在BDE-47的3個(gè)暴露濃度(1，10和50 mg/kg)下，其代謝產(chǎn)物和糖代謝相關(guān)基因表達(dá)水平發(fā)生了變化。在BDE-47暴露下，LJ-7(C)和YY-9(D)籽粒的代謝產(chǎn)物和與氨基酸代謝相關(guān)的基因表達(dá)水平發(fā)生了變化

圖6 兩個(gè)水稻品種的三羧酸(TCA)循環(huán)途徑。在BDE-47暴露下，LJ-7(A)和YY-9(B)籽粒中的代謝物和定位于TCA循環(huán)的基因表達(dá)水平發(fā)生了變化

結(jié)論
利用水稻籽粒代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組相結(jié)合的分析方法，研究了兩個(gè)水稻品種對(duì)BDE-47抗性的分子差異。

• 抗性品種LJ-7對(duì)BDE-47的脅迫采取了更為有效的應(yīng)對(duì)策略，主要是通過(guò)促進(jìn)能量消耗和糖、氨基酸的生物合成來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
• 相對(duì)敏感品種YY-9在受到BDE-47污染時(shí)，能量消耗增加，但生物合成受到抑制。

這些結(jié)果為揭示環(huán)境污染物對(duì)水稻不同生物效應(yīng)的分子機(jī)制提供了有益的啟示。

評(píng)論
代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的綜合分析揭示了接觸BDE-47引起的代謝物和基因的變化。本研究重點(diǎn)關(guān)注水稻籽粒中發(fā)生的代謝和轉(zhuǎn)錄變化。對(duì)作物如何系統(tǒng)地對(duì)不利環(huán)境做出反應(yīng)提供了新的見(jiàn)解，旨在幫助育種計(jì)劃中的生物標(biāo)記物選擇，并降低可能受到多溴二苯醚污染的農(nóng)田中的作物健康風(fēng)險(xiǎn)。但是BDE-47對(duì)糧食產(chǎn)量和品質(zhì)的影響目前仍不清楚。利用這兩個(gè)水稻品種進(jìn)一步研究環(huán)境污染物對(duì)作物品質(zhì)的影響，探索較低濃度的BDE-47和其他污染物的潛在影響是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

原文網(wǎng)址：https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.105154
轉(zhuǎn)自：http://www.gyagri.com.cn/schq/1875.html