PBDEs被公认为新兴的一种普遍存在的 持久性有机污染物 ,通常在聚合物泡沫、建筑材料、塑料、电子和家具中用作阻燃剂。其中BDE-47由于分布广泛,并具有高亲脂性和半衰期长的特点,是在环境中检测到的最普遍的PBDEs之一。2,2‘,4,4’-四溴联苯醚(BDE-47)是一种主要的多溴二苯醚(PBDE)。累积的研究表明,BDE-47可以诱导代谢反应并改变动物和人类细胞中相关基因的表达。然而,关于BDE-47在作物中引起的代谢组学和转录组学改变的分子机制的研究较少。
2,2‘,4,4’-四溴联苯醚(BDE-47)是一种主要的多溴二苯醚(PBDE),因其对环境的影响而受到广泛关注。本研究分别对 两个水稻品种 , BDE-47耐受 的连粳7号(LJ-7)和 敏感 的品种甬优9号(YY-9)进行了代谢组学和转录组分析,研究它们对BDE-47耐受能力不同的分子机制。研究发现:
3.代谢途径和KEGG富集分析表明,BDE-47抑制了这两个水稻品种能量消耗和生物合成等许多生物学过程。而BDE-47增加了YY-9的能量消耗,而抑制了生物合成过程,导致YY-9对BDE-47的敏感性。
综合分析表明, 这两个水稻品种对BDE-47反应的不同防御能力归因于它们在能量消耗策略和籽粒营养成分生物合成方面的差异 。本研究为多溴二苯醚污染地区的水稻栽培提供了有益的参考。
本研究选择BDE-47的 耐受性材料LJ-7和敏感性材料YY-9 ,分别种植于 0、1、10和50 mg/kg BDE-47四个不同浓度 的土壤中,约180天后收集谷物。分析两个水稻品种BDE-47浓度及地上部分长度测定,同时去除稻壳后得到糙米进行转录组和代谢组分析。通过对 差异表达基因和差异代谢物的联合分析 ,挖掘不同抗性材料对不同浓度BDE-47的分子响应机制。
通过GC-MS对两个抗性差异品种籽粒中代谢产物的变化进行了分析,经BDE-47处理后, 两品种中代谢物含量相比对照组都发生明显变化,尤其是10 mg/kg和50 mg/kg浓度组与对照组相比差异显著。这两个品种的代谢产物含量表现出相反的趋势。 与对照组相比,LJ-7中的65种代谢产物和YY-9中的45种代谢产物的浓度变化显著。
经PCA分析,发现不同浓度污染物中代谢物分布的区别 :
RNA-Seq结果表明,两个水稻品种 表达的基因总数不同 。在LJ-7籽粒中检测到55802个基因,在YY-9中检测到55986个基因。
FDR<的基因被定义为差异表达基因(DEG)。通过火山图可以直观的看到,
DEG 的 GO 和 KEGG 富集分析 为了深入了解DEG的生物学意义,研究人员进行了GO和KEGG富集分析。GO富集分析发现所有DEG可分为生物过程、细胞组成和分子功能三大类。
KEGG富集分析发现,
KEGG富集分析表明,两个品种的代谢途径均增强,表明DEG与代谢物关系密切。
整体来说,在YY-9的谷物中TCA循环增加,而糖和氨基酸的生物合成受到抑制。而LJ-7品种的谷物糖代谢、氨基酸代谢生物合成相关酶增加。
研究人员通过代谢途径分析暴露于BDE-47的两个水稻品种的生物学过程的变化。分析发现,LJ-7和YY-9分别有12条和4条代谢途径显著变化。两个品种的氨基酸代谢、糖代谢和三羧酸循环(TCA循环)均发生了显着变化。
为了在转录组水平上研究BDE-47对LJ-7和YY-9细胞的代谢反应机制,研究人员重点研究关键生物学过程相关基因的表达水平。结合代谢组学结果,重点研究了 糖代谢、氨基酸代谢和TCA循环途径的基因表达 。代谢物浓度的变化与相关酶的基因表达是一致的。
在LJ-7中,大部分编码上述三个途径中的关键酶的基因表达上调:
YY-9与LJ-7相比,大部分编码上述三个途径中的关键酶的基因表达下调:
YY-9籽粒中的TCA循环被激活,而糖和氨基酸的生物合成受到抑制。
糖代谢: 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约倍。d-葡萄糖作为光合作用的重要产物,是谷物的主要的碳和能源来源。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动中有效,因此己糖激酶被认为在己糖磷酸化的信号传递中起关键作用。己糖激酶在糖利用的调节中起双重作用,其一可充当糖酵解过程中d-葡萄糖和d-果糖的传感器;其二可作为ROS自由基的清除剂,防止氧化损伤植物细胞。LJ-7谷物中的酶和代谢产物共同抵抗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,与相关代谢产物的变化一致,这表明YY-9无法产生更多的能量物质来对抗BDE-47的暴露。
氨基酸代谢: 将LJ-7品种分别暴露于10 mg / kg和50 mg / kg的BDE-47后,籽粒中L-赖氨酸的含量分别增加了倍和倍。L-赖氨酸在应对非生物胁迫条件如水分限制、营养限制和氧化胁迫中起重要作用。转录组发现与l-赖氨酸相关的基因表达增强,进一步的促进赖氨酸的生物合成从而发挥抗性品质。与LJ-7中的氨基酸不同,YY-9的谷物中氨基酸变化不显著。综上所述,两个品种之间氨基酸代谢的显着对比表明,在暴露于BDE-47的条件下,LJ-7在植物生长中采取了更为复杂的反应。与YY-9相比,LJ-7中糖和氨基酸的代谢相对活跃,从而解释它们对BDE-47的耐受性的差异。
结论 利用水稻籽粒代谢组学和转录组相结合的分析方法,研究了两个水稻品种对BDE-47抗性的分子差异。
这些结果为揭示环境污染物对水稻不同生物效应的分子机制提供了有益的启示。
评论 代谢组学和转录组学的综合分析揭示了接触BDE-47引起的代谢物和基因的变化。本研究重点关注水稻籽粒中发生的代谢和转录变化。对作物如何系统地对不利环境做出反应提供了新的见解,旨在帮助育种计划中的生物标记物选择,并降低可能受到多溴二苯醚污染的农田中的作物健康风险。但是BDE-47对粮食产量和品质的影响目前仍不清楚。利用这两个水稻品种进一步研究环境污染物对作物品质的影响,探索较低浓度的BDE-47和其他污染物的潜在影响是后续研究的重点。
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