紫薯中铀和镉吸收及其相互作用机理
2019年10月~2020年5月，鹿明生物合作客户西南科技大学环境与资源学院罗学刚团队第三次在Journal of Hazardous Materials杂志（IF：9.038）发表文章。名为“紫薯中铀和镉吸收及其相互作用机理”的文章，通过LC-MS非靶向代谢分析，发现铀和镉暴露下对植物矿物质代谢的影响，全面地阐明了非生物胁迫下紫薯的代谢响应机制。
中文标题：紫薯中铀和镉吸收及其相互作用机理
研究对象：紫薯幼苗
发表期刊：Journal of Hazardous Materials
影响因子：9.038
发表时间：2020年6月
运用生物技术：LC-MS非靶向代谢组学（由鹿明生物提供技术支持）
核工业和农业活动的迅速发展导致大量含有放射性核素（例如铀-238）的固体废物、废水和废气以及和其他污染物（例如重金属）释放到环境中。被铀污染的典型环境一般同时包含铀（U）和镉（Cd），它们都容易被植物吸收和积累并进入食物链，对人类健康构成潜在威胁。铀和镉在作物中的迁移行为已成为近年来研究的重点，目前有多项研究在转录组、蛋白质组和代谢组水平上揭示了植物对铀或镉的毒性反应，但同时暴露于铀和镉双重污染环境中的植物和两种元素之间的潜在相互作用没有得到广泛关注和研究。
紫薯（Ipomoea batatas L.）是一种营养丰富、经济价值高的粮食作物，在中国得到广泛种植，在中国的耕地面积约占世界总面积的70％。但是紫薯的可食用部分为块茎，与土壤直接接触，容易被铀和镉污染。本研究选择紫薯（以下简称紫薯）为实验材料，考察了它对铀和镉的吸收行为及对矿质营养的影响，并使用非靶向代谢组学技术分析了铀和镉间的相互作用机制。
（1）材料：生长150天的紫薯（侧根和块根）。
（2）分组：未污染的土壤（对照）、铀污染土壤（100 mg/kg），镉污染土壤（15 mg/kg），铀和镉双重污染土壤（100 mg/kg + 15 mg/kg）。每组三个生物学重复。
（3）根结构实验：扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱仪（EDS）。
（4）元素分析实验：238U含量使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定，K、Ca、Na、Fe、Mg、Mn、Zn、Cu和Cd浓度通过火焰原子吸收和石墨炉原子吸收分光光度法（GFAAS）检测，样品总P用Mo-Sb比色法测定，累积系数（AC）定义为：累积系数（AC）=植物中铀或镉/土壤中的铀或镉。
（5）元素交互网络分析：对11种元素（K，Ca，Na，Fe，P，Mg，Mn，Zn，Cu，U和Cd）的含量进行了主成分分析（PCA）、相关分析和权重网络分析，权重系数范围0.5-1.0。
2.代谢组实验
（1）材料：幼苗地上部分和根，幼苗在基础营养液中培养两周，直至长出新根，然后暴露于污染土壤72小时。
（2）分组：对照组（无铀或镉）、铀暴露（25μM U）、镉暴露（25μM Cd），铀和镉双重暴露（25μM U + 25μM Cd）。每组六个生物学重复。
（3）铀和镉累积分析
X射线荧光分析（XRF）检测铀和镉累积特征，ICP-MS测定组织铀浓度（C0），石墨炉原子吸收分光光度法测定镉浓度（C0）。
（4）LC-MS非靶标代谢分析
与对照和镉处理相比，在受铀污染的土壤（铀和铀+镉处理）生长的紫薯根茎中贮藏的淀粉粒显著减小（图1A-D），碳和氧（C + O）比例较低。紫薯的正常矿质元素代谢收到干扰（图1E-F）。侧根中铀和镉积累量显著增加（图1G&H）。
图1 | 在铀/镉污染土壤中生长的紫薯根微量结构（SEM / EDS分析）和铀/镉残留量（mg·kg-1）
不同处理组之间的矿质元素存在显著差异。PCA结果表明，在受污染的土壤中，侧根、块茎根皮和块茎根中元素的聚类位置发生明显变化，不同组织中矿物质迁移的趋势相似（图2A-C）。铀、镉和矿质元素的相互作用网络分析表明，在侧根和块根皮中，镉对矿物质代谢的干扰程度强于铀，镉与矿物质元素之间存在明显的协同吸收（R2>0）。铀与矿物质元素存在着竞争吸收（R2<0）（图2D-F）。
图2 | 紫薯根中元素主成分分析（PCA）和互作网络分析
如图3所示，短期（72小时）暴露于铀和镉对幼苗根部有明显毒性作用。在铀和铀+镉处理的根部死亡或生长迟缓，说明铀毒性明显强于镉。XRF分析表明，幼苗根是铀和镉的积累器官（图3A-F）。
图3 | 暴露于铀和镉溶液72小时后，紫薯幼苗根和地上部分的X射线荧光光谱分析
ICP-MS结果表明，与单一铀或镉暴露相比，铀+镉联合处理显著增加了铀和镉的积累（p <0.05）（表2）。
表2 |暴露于铀和镉溶液72小时后紫薯幼苗中铀和镉的积累
LC-MS代谢组PCA结果显示，不同暴露组中代谢物聚类位置发生了显著变化，并且铀和镉之间存在累加效应（图4A和表3），表明暴露于铀和镉的根代谢特征发生显著变化。OPLS-DA统计分析模型显示了在铀、镉和铀+镉暴露组中鉴定出的差异代谢物（DEMs）（图4B-D和表3），其中脂质代谢物比例最高（图4E）。Venn图显示不同分组的DEM有20%相同（203个），可作为潜在生物标志物,有80种代谢产物与两种元素相互作用有关（图4F）。
图4 | 紫薯幼苗根中不同代谢产物的PCA和OPLS-DA分析
表3 | 根中PCA和OPLS-DA的R2X，R2Y和Q2
图5A-C显示来自KEGG数据库的不同暴露组代谢物的统计结果。Venn图统计显示，铀、镉和铀+镉暴露组DEM的表达模式高度一致，表明这些代谢产物在根对铀和镉毒性的反应中起重要作用（图5D和E）。热图显示在不同暴露组主要代谢产物（氨基酸、碳水化合物、核苷酸和脂肪酸）的表达模式（图5F）。
（A-C）KEGG代谢途径，（D，E）维恩图，（F）热图
铀、镉暴露组和铀+镉双重暴露，分别有10条、12条和10条显著富集的代谢途径（图6A-C）。维恩图显示了不同暴露组之间代谢物富集途径的相互作用，其中包括40条常见富集途径（图6D）。这些结果表明，根中初级和次级代谢物的异常表达可能是植物生长异常的原因之一。
6.铀和镉在初级代谢中的相互作用网络
紫薯根部在代谢水平上对铀和镉毒性的生理反应如图7、图8所示。初级代谢网络的代谢产物通常显著上调。在铀和铀+镉暴露组中，DEM表达模式高度一致，例如能量代谢相关途径、氨基酸的生物合成和代谢途径、脂肪酸和类固醇代谢（图7A-C）。铀和镉暴露还改变了根中嘌呤和嘧啶的代谢（图8）。
图7 | 暴露于铀+镉溶液72 h后，紫薯幼苗根中碳水化合物、氨基酸、脂肪酸和类固醇的代谢网络的可视化分析
图8 | 暴露于铀/镉溶液72 h后，紫薯幼苗根部核苷酸代谢网络的可视化分析
铀和镉暴露与植物激素代谢有关的DEMs的表达方式如图9所示。吲哚乳酸、二氢玉米蛋白核糖苷、脱落酸11-葡萄糖苷、油菜素内酯、水杨酸和水杨酸β-D-葡萄糖苷的表达显著增加（图9），表明植物激素信号转导途径在根对铀和镉毒性的响应中具有重要作用。
图9 | 铀/镉暴露72 h对紫薯根系植物激素代谢的影响
在本研究中，紫薯根（块茎）中铀和镉残留量超过国家标准规定的健康风险阈值，且镉的累积系数（AC）大于铀（图1G和H），铀的生物有效性明显低于镉。在紫薯根中铀、镉与矿物质代谢之间存在明显相互作用（图2），表明根的矿物质吸收途径可能与镉和铀的吸收和转运有关。紫薯根部的矿质元素吸收与铀呈竞争关系（负相关），与镉呈协同关系（正相关）（图2）。表明矿质营养代谢对铀和镉的响应策略不同，可能是紫薯中镉积累系数较高的原因。
植物对不同重金属的耐受性导致生长和发育差异。在相同暴露水平（25μM）下，紫薯根部铀含量比镉高2.85-3.28倍（表2），且铀对紫薯根的毒性明显强于镉，表明铀化学毒性更高（图3）。此外实验结果表明铀、镉双重污染对紫薯生长发育的毒性作用比单一暴露强。
植物对生物或非生物胁迫因素的反应涉及基因表达、蛋白质合成和代谢产物调节。不同的暴露组中根中DEM的表达模式相似（图5和图6），说明铀和镉胁迫在代谢组水平反应相似。本研究发现紫薯根中植物激素和类似物（例如吲哚乙酸，玉米素，水杨酸，脱落酸和油菜素内酯）的含量显著增加（图9），同时cAMP和cGMP的表达也显著增加（图8）。结果表明，紫薯对铀和镉毒性的响应途径可能涉及通过铀和镉诱导细胞内植物激素（第一信使）和环状核苷酸（第二信使）的初始诱导，然后通过植物激素和环状核苷酸的信号转导途径调节初级/次级代谢物提高细胞毒性耐受性。
紫薯对铀或镉暴露调节的代谢物表达方式存在差异。当铀存在时紫薯根通过改善自身能量供应和增加初级代谢产物的合成来减轻铀的毒性（图7,8）。相比之下，镉暴露主要诱导根中抗过氧化物（例如谷胱甘肽和色氨酸）的显著表达（图7），说明ROS代谢可能在紫薯对镉毒性反应中起重要作用。此外，铀和镉组合对嘧啶的代谢途径有明显抑制作用，可能导致紫薯的核苷酸代谢异常。在图10中总结了可能机制，以解释紫薯在代谢水平上对铀、镉和铀+镉的反应。本研究结果也为揭示其他农作物对铀和镉双重污染的生理反应机理提供了理论基础。
图10 | 紫薯在代谢水平上对铀/镉胁迫的响应机制
1.在受铀和镉污染的土壤中，紫薯块根吸收铀和镉，矿物质营养相关的代谢调节了铀和镉的吸收、运输，使其重新分布；铀的化学毒性显著高于Cd；
2.代谢组学结果显示，铀和镉污染物诱导细胞中植物激素（第一信使）和环状核苷酸（cAMP和cGMP，第二信使）的表达，并调节细胞的初级/次级代谢，从而通过诱导植物激素和环核苷酸的信号转导途径促进对毒性的耐受性。
3.紫薯主要通过改善自身能量代谢并增加主要代谢产物合成来减轻铀毒性和铀+镉毒性。镉毒性诱导紫薯根中抗过氧化物质的显著表达。铀和镉对嘧啶代谢途径有明显抑制作用，可能导致紫薯核苷酸代谢异常。
作为西南科技大学发表的第三篇植物重金属胁迫的研究文章，本文依旧亮点满满。作为重要的非生物胁迫，重金属暴露的相关文献多使用单一元素，而这篇文章增加了铀+镉双重因素的考察。元素分析与非靶向代谢组学分析结果相辅相成，共同阐述了铀和镉胁迫对矿物质代谢和初生\次生代谢产生的影响，通过周密的实验设计，详细地阐述了紫薯应对铀和镉暴露相同和不同的代谢应答机制。
