典型非甾体抗炎药对斜生栅藻和水稻的毒性效应及分子应答机制研究

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由于药物及个人护理品(Pharmaceuticals and personal care products,PPCPs)的大量使用和不当处置,其生态毒性效应受到了广泛关注。本文通过研究4种不同结构的非甾体抗炎药(Non-steroidal anti-inflammatory drugs,NSAIDs):右旋布洛芬(Dextroibuprofen,S-(+)-IBU)、外消旋布洛芬(Racemic ibuprofen,rac-IBU)、阿司匹林(Aspirin,ASA)和酮洛芬(Ketoprofen,KEP)对斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)和水稻(Oryza sativa L.)的毒性影响,探究NSAIDs对植物的毒性效应及机制,以期为NSAIDs的生态效应评价提供研究基础和理论依据。主要内容包括:(1)NSAIDs对斜生栅藻的生长抑制与浓度呈正相关关系,低浓度NSAIDs对藻类生长有一定的促进作用,而高浓度NSAIDs对斜生栅藻的生长抑制呈正相关关系并造成不可逆的损伤。4种NSAIDs毒性相对大小为:KEP>ASA>rac-IBU>S-(+)-IBU。透射电镜显示NSAIDs胁迫下细胞超微结构受损,出现质壁分离及叶绿体肿胀涣散等。叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量与NSAIDs浓度呈负相关;叶绿素荧光参数(基础荧光F0、最大荧光Fm、最大光化学量子产量Fv/F0和最大光合效率Fv/Fm)和快速光响应曲线(实际量子产额Y(II)、光化学猝灭系数q P和相对电子传递速率ETR)均与NSAIDs呈浓度-效应关系;光合和呼吸速率随NSAIDs浓度升高而呈下降趋势,类囊体电子传递链关键基因转录下调,说明NSAIDs对电子传递和CO2固定造成明显阻碍。活性氧自由基(ROS)含量与NSAIDs浓度呈正相关关系;超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性和抗氧化物质谷胱甘肽(GSH)含量呈现先升高后降低的趋势。综合生物标志物指数分析(IBR)结果与急性毒性和光合作用结论一致。(2)0.5 mg L-1的KEP处理刺激水稻幼苗生长,随着KEP浓度升高幼苗生长受到抑制,幼苗叶尖和根尖的超微结构受到严重破坏,淀粉粒明显增多且出现大量空泡。根部的死亡细胞增多,形成果冻状薄膜,KEP诱导质膜蛋白质损伤并改变膜性能。叶片Fv/Fm、Fv/F0、Y(Ⅱ)、ETR、调整性能量耗散量子产率Y(NPQ)及非调整性能量耗散量子产率Y(NO)均发生变化,光合色素含量下降,光合色素合成关键基因HEMA、HEMG、CHLD、CHLG、CHLM和CAO发生相应调节;类囊体电子传递被阻碍,光化学能量转换和自我保护调节机制减弱;且推测KEP暴露下环式电子传递(CET)中PGRL1/PGR5介导途径被激活,有助于水稻幼苗在胁迫下产生维持生理活动所需ATP。幼苗体内的ATP含量下降;H+-ATPase酶先被激活随后活性降低;编码H+-ATPase酶的OSA基因IV家族(OSA6、OSA10)、III家族(OSA9)在叶部和根部显著上调,能较好的响应KEP胁迫而高量表达。KEP胁迫造成O2-·在根茎大量堆积,同时伴随过氧化物和渗透性物质含量升高;SOD酶、CAT酶、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性和GSH含量发生相应变化,以维持正常的的ROS水平以保护细胞减少氧化胁迫损伤。抗氧化酶关键基因(CSD1、CSD2、FSD1、MSD1、CAT1、CAT2、CAT3、APX1和APX2)在KEP胁迫下相互协调适应,可能有助于微调防御系统以保持平衡。IBR分析表明,KEP浓度增大导致对水稻幼苗的胁迫压力逐渐增加。(3)根部硝态氮(NO3--N)含量随KEP胁迫浓度增大持续降低,而叶部NO3--N含量先升高后降低,对光合作用补偿产生积极响应。根部硝酸还原酶(NR)活性呈现先上升后下降的趋势,叶部NR活性持续增大;叶部NO3--N含量与NR活性的不一致性可能是由于组织特异性和同化区域化;铵态氮(NH4+-N)含量呈先升高后降低的趋势;叶部亚硝酸还原酶(Ni R)活性逐渐降低,而根部Ni R活性先上升后下降;谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合酶(GOGAT)与Ni R活性趋势类似;谷氨酸脱氢酶(GDH)作为应激酶,其活性在根部持续降低,在叶部呈现先上升后降低的趋势;游离氨基酸总量在根部和叶部均呈现逐渐积累趋势。主成分分析(PCA)表明KEP可显著改变水稻幼苗的光合色素、能量的合成及氮同化等指标相关性,而过氧化物的产生是受到胁迫的重要标志之一,并且抗氧化作用可以减轻KEP的胁迫作用。KEP处理导致幼苗根部的根系微生物群落结构发生显著改变,群落多样性和丰富度均增大;根系原本的优势菌和益生菌如变形菌、芽孢杆菌和鞘氨醇单胞菌丰度急剧减少,而嗜甲基菌和厌氧菌等丰度显著上升,这可能是由于KEP胁迫改变水稻的根系分泌物导致;PICRUSt潜在功能预测表明,KEP处理导致水稻幼苗光合作用、抗氧化胁迫、氮同化和能量代谢的KEGG通路丰富度及富集度均下降,预测酶含量降低,说明KEP可能对根系微生物产生了选择压力,改变了水稻-微生物的相互作用从而影响水稻生长。
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