J Hazard Mater(IF=13.6) | 卵白质磷酸化：大麦应对纳米塑料与氧化锌纳米粒子的要害调控因子_干货分享_代谢组学_空间代谢组学_离子组学_卵白质组学

J Hazard Mater(IF=13.6) | 卵白质磷酸化：大麦应对纳米塑料与氧化锌纳米粒子的要害调控因子

宣布时间 2024-03-12

文章问题：Modulations in protein phosphorylation explain the physiological responses of barley (Hordeum vulgare) to nanoplastics and ZnO nanoparticles

揭晓期刊：Journal of Hazardous Materials

影响因子：13.6

研究配景

纳米质料作为纳米手艺生长的物质基础，已在多个领域获得普遍应用。在农业方面，氧化锌纳米颗粒(ZnO nanoparticles, ZnO NPs)可用作纳米肥料施用，能够增添植物的光合碳同化、水分使用效率和胁迫抗性。可是过量施用ZnO NPs会限制根系发育，改变植物心理历程，影响植物生长和生产力。别的，纳米塑料(nanoplastics, nPS)的大宗应用也会对植物组织造成物理和化学损伤。不过，现在关于nPS与其它纳米质料的相互作用以及对植物的综合影响在很洪流平上是未知的。卵白质磷酸化是卵白质翻译后修饰(Protein post-translational modification, PTMs)的主要类型之一，通过将细胞间信号从受体转达到靶点，在植物感知和响应情形刺激方面施展要害作用。卵白质翻译后修饰可能有助于诠释纳米质料对植物的心理影响。

该研究以大麦(Hordeum vulgare)为研究工具，对差别处置惩罚下的大麦举行了磷酸化卵白质组学检测与剖析，并验证了活性氧(reactive oxygen species, ROS)和碳水化合物代谢相关途径的转变。

手艺蹊径

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1. 植物形态、纳米塑料漫衍及心理特征

本研究共设置了四个处置惩罚组：(1)ZnO处置惩罚组；(2)nPS处置惩罚组；(3)ZnO 和nPS的多重处置惩罚组(ZnPS)；(4)比照组。对差别处置惩罚下的植物形态、纳米塑料漫衍及心理特征举行统计（图1）。效果显示，ZnO和nPS都可以进入大麦根部。三种处置惩罚中，ZnO和ZnPS处置惩罚均显著抑制大麦根和茎的生长，而简单nPS处置惩罚对大麦根和茎的长度没有显著影响，说明在共污染土壤中生长时，ZnO对大麦的生长起主要抑制作用。别的，与ZnO及nPS相比，ZnPS处置惩罚下的H2O2及ABA水平最高，批注纳米质料的组合处置惩罚对植物的毒性作用更大。

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图1 ZnO和nPS对大麦吸收纳米塑料、形态和心理参数的影响

2.大麦叶片中磷酸化卵白的判断

对差别处置惩罚下的大麦叶片举行磷酸化修饰卵白质组学检测，共判断到8642个磷酸化位点，3642个磷酸化卵白（图2）。与比照组相比，ZnO、nPS和ZnPS组划分判断到106个、104个、173个差别磷酸化位点，84个、82个、132个差别磷酸化卵白(differentially regulated phosphoproteins, DRPs)，其中三组共有差别磷酸化位点37个，共有DRPs 35个。

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图2 ZnO和nPS对大麦叶片磷酸化卵白和磷酸化位点的影响

3.DRPs的GO和PPI剖析

对DRPs举行功效注释和亚细胞定位剖析，效果显示在ZnO、nPS和ZnPS处置惩罚下，这些DRPs被分类到差别的功效种别中，主要涉及“碳水化合物转运和代谢”、“无机离子转运和代谢”、“转录”和“信号转导机制”等，DRPs以审定位卵白居多，其次是叶绿体卵白和细胞质卵白。

GO富集剖析批注，ZnO、nPS和ZnPS处置惩罚后的DRPs在多种细胞因素、分子功效和生物学历程中富集。ZnO处置惩罚后的DRPs主要与细胞组分中的光合膜、类囊体膜、叶绿体类囊体膜和细胞质染色体有关；在分子功效方面，主要富集于GTPase团结、Rho GTPase团结、纤维素合酶活性；在生物历程中，DRPs富集于植物型细胞壁组织、甘油脂生物合成历程、细胞多糖生物合成历程和植物型次生细胞壁生物爆发历程。在nPS处置惩罚下，DRPs在细胞组分、分子功效和生物历程上均有富集，主要与细胞组分中的叶绿体类囊体膜卵白复合物、非膜界细胞器和胞内非膜界细胞器有关；在分子功效上，DRPs与谷氨酸-5-半醛脱氢酶活性、氯离子跨膜转运活性、纤维素合酶活性、阴离子跨膜转运活性和多糖生物合成历程有关；别的，它们还加入了生物历程中的植物型次生细胞壁生物爆发、细胞碳水化合物生物合成历程、植物型细胞壁生物爆发、阴离子跨膜运输历程、细胞多糖代谢历程、无机阴离子运输历程。在ZnPS处置惩罚下，DRPs主要与细胞组分中的类囊体膜、光合膜、叶绿体类囊体膜、质体类囊体膜和质体类囊体膜间质有关；在分子功效上，DRPs与碳水化合物团结、谷氨酸-5-半醛脱氢酶活性、基础转录机制团结和卵白质结构域特异性团结有关；在生物历程方面，DRPs富集于代谢历程和生物合成历程，包括RNA代谢历程、蜡质生物合成历程、中性脂质生物合成历程和核酸代谢历程。

使用String数据库对DRPs举行卵白-卵白相互作用剖析(protein-protein interaction, PPI)。剖析效果显示，PPI受差别处置惩罚的影响，在ZnO处置惩罚下，编码光采复合体II叶绿素/b团结卵白6 (LHCB6)的M0ULA3负调控细胞色素b6f复合体(cytochrome b6/f complex)内电子转运相关卵白A0A287HT89。

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图3 ZnO和nPS对DRPs调控PPI网络的影响

4.DRPs聚类剖析

对所有的DRPs 举行Mfuzz聚类剖析（图5）。聚类1包括6个卵白，与比照相比，ZnO、nPS和ZnPS处置惩罚的卵白磷酸化水平逐渐升高。这些卵白主要加入碱基切除修复和基础转录因子。聚类2包括3个卵白，ZnO/Con的磷酸化水平高于nPS/Con和ZnPS/Con。聚类3包括8个卵白，3种处置惩罚均显著提高了卵白磷酸化水平，这些卵白与光合生物的固碳、氮代谢和丙酮酸代谢有关。聚类4包括8个卵白，与比照组相比，ZnO、nPS和ZnPS处置惩罚的卵白磷酸化水平逐渐降低，这些卵白与精氨酸和脯氨酸代谢途径以及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢途径有关。聚类5包括5个卵白，这些卵白的磷酸化水平均显著升高，它们加入mRNA监视通路和RNA转运。聚类6包括9个卵白，这些卵白加入光相助用和自噬途径。

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图4 DRPs的聚类剖析

5.抗氧化酶活性

在完全睁开的叶片中，ZnO、nPS及ZnPS处置惩罚显著提高了POX活性，其他抗氧化酶活性不受简单纳米质料或组合纳米质料的影响（图6）。在ZnO、nPS及ZnPS处置惩罚下，根系中cwPOX活性及GR活性均有下降，其中GR活性划分降低了26.09%、49.63%和62.28%，GR活性降低了32.87%、61.96%和96.60%。别的，CAT、DHAR和POX活性也受差别处置惩罚的影响，其中，nPS和ZnPS处置惩罚的值较低。nPS处置惩罚下MDHAR活性显著降低57.08%，ZnPS处置惩罚下SOD活性显著升高71.02%。

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图5 ZnO和nPS对大麦叶片要害抗氧化酶活性的影响

6.叶绿体超微结构

透射电镜图像显示，处置惩罚组和比照组的叶绿体均呈梭形或椭圆形（图6）。比照植株的叶绿体紧贴细胞壁，类囊体片层细密群集，含有大宗淀粉粒。ZnO、nPS和ZnPS处置惩罚组细胞壁与叶绿体之间的距离长于比照植物。同时，类囊体肿胀，粒状薄片松动，且在ZnPS处置惩罚组中体现更为显着。综合研究效果批注，ZnO、nPS及ZnPS处置惩罚破损了叶绿体的超微结构，体现为类囊体颗粒片层排列的破损。

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图6 ZnO和nPS对大麦叶片叶绿体超微结构的影响

7.碳水化合物代谢酶活性

在叶片的蔗糖降解途径中，nPS处置惩罚后的液泡转化酶活性和ZnPS处置惩罚后的细胞壁转化酶活性划分比比照组横跨35.18%和20.53%（图7）。与比照组相比，nPS显著降低了根部cytInv和vacInv的活性，而ZnO只降低了vacInv的活性。ZnO处置惩罚组中Susy活性比比照组横跨51.21%，而ZnPS处置惩罚组和比照组之间相似。在叶片的糖酵解途径中，ZnO和ZnPS处置惩罚下HXK的活性划分是比照组的3.14倍和3.24倍。PGI活性在ZnO、nPS及ZnPS处置惩罚下划分增添了32.07%、36.27%和43.92%。叶片中的Ald活性以及根部的HXK、PFK、PGI和Ald活性不受任何简单纳米质料或其组合的影响。关于叶片中的淀粉生物合成途径，nPS处置惩罚下的AGPase活性显著降低了75.39%，而ZnPS处置惩罚下的PGM活性增添了20.77%。在根部，nPS处置惩罚下的PGM活性显著降低了41.43%，AGPase活性不受处置惩罚的影响。在根部的蔗糖生物合成和氧化戊糖磷酸途径中，nPS处置惩罚植物的FK活性比比照组横跨9.52倍，而G6PDH活性比比照组低了44%。别的，UGPase活性不受任何简单纳米质料或其组合的影响。

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图7 ZnO和nPS对大麦叶片要害碳水化合物代谢酶的影响

研究总结

该研究以大麦为研究工具，设置了差别的处置惩罚组，以探讨ZnO、nPS以及组合处置惩罚对植株的影响。效果发明，ZnO与nPS的多重处置惩罚会增添大麦根系中H2O2和ABA的积累，抑制其根系伸长和叶片生长。团结磷酸化卵白质组学研究发明，在纳米质料共袒露下，大麦叶片中有132个差别磷酸化卵白和173个差别磷酸化位点，这些磷酸化位点与光相助用、碳牢靠、氮代谢以及精氨酸和脯氨酸代谢有关。这些历程与转化酶、Susy、PFK和G6PDH活性的转变亲近相关。别的，复合纳米质料袒露通过抑制水分和矿物质的吸收、诱导气孔关闭和镌汰光合碳同化对大麦植株造成更大的危险。总体而言，与简单纳米质料处置惩罚相比，多种纳米质料复合处置惩罚会对植物抗氧化和碳水化合物代谢系统造成更严重的损害。

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