科学网—ENCECO|成都理工大学李琪研究员：结合转录组学和代谢组学分析揭示沉水植物响应PFBA和PFHxS的分子机制

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2025-11-14 09:30

| 系统分类: 科研笔记

【研究背景导读】 全氟辛酸 (PFOA) 和全氟辛烷磺酸 (PFOS) 因其持久性、蓄积性和高毒性，现已被禁用；然而，其替代品的生产和使用持续增长，导致这类化合物广泛分布于各种环境介质中。已有研究表明全氟丁酸 (PFBA) 和全氟己基磺酸 (PFHxS) 具有一定的生物毒性，并可在生物体内富集。然而，目前关于 PFAS 替代品毒性的研究主要集中于动物和陆生植物，针对淡水生态系统中沉水植物的响应机制研究较少。因此，本研究主要探索典型沉水植物苦草及其附生生物膜对环境浓度 下 PFBA 、 PFHxS 的响应机制。

【文章内容概要】

近日，成都理工大学大学李琪 研究员 在 En vironmental Chemistry and Ecotoxicology 期刊上发表了题为 “ Integrated transcriptomics and metabolomics analysis reveals molecular mechanisms of submerged macrophytes in response to PFBA and PFHxS ”的研究论文。通过系统解析 PFBA 与 PFHxS 对苦草生理、生化、分子与基因层面的影响，有助于更好地理解其污染物胁迫对水生植物的潜在影响，并为 PFAS 替代品的水生生态风险提供理论支持。

PFBA 和 PFHxS 暴露 7 天后，植物叶片中的可溶性蛋白质含量增加 （图 1 a ），并 且丙二醛 (MDA) 含量显著高于对照组 （图 1 b ）， 表明植物细胞膜发生过氧化损伤 。 随着暴露时间延长，超氧化物歧化酶（ SOD ）和过氧化物酶（ POD ）活性呈现先升后降趋势 （图 1 c-d ） 。还原型谷胱甘肽（ GSH ）含量也发生显著变化 （图 1 e ）。 这些结果表明， PFAS 替代物胁迫可触发苦草的抗氧化及防御系统，影响植物的生理和生化代谢水平。

图 1. PFASs 对苦草叶片酶活性的影响。 (a) 可溶性蛋白质浓度； (b)MDA 含量； (c)SOD 活性； (d) POD 活性； (e) GSH 含量。 数据以均值 ± 标准差表 示。不同字母表示具有显著性差异 (p < 0.05) 。

植物暴露第 0 天时，叶肉细胞中的叶绿体呈规则梭形，细胞膜清晰，基质致密，核质分布均匀 （图 2 a-b ） 相比之下，经 PFBA 和 PFHxS 暴露 7 天后，出现明显的淀粉颗粒。此外， PFBA 暴露导致大量嗜锇颗粒形成，表明植物已发生衰老及病理变化。同时叶肉细胞发生质壁分离现象；叶绿体形态发生改变，类囊体薄膜扭曲紊乱；线粒体嵴数目减少，内膜褶皱程度降低 （图 2 c-f ） 。经 14 天 PFAS 替代物暴露后，嗜锇颗粒与淀粉颗粒含量显著增加，淀粉颗粒变得更大更饱满 （图 2 g-j ）。 污染物暴露时间的延长导致苦草承受的应激程度相应加剧，细胞器损伤程度加深。

图 2. PFAS 替代品暴露下，苦草叶肉细胞超微结构的变化。 (a-b) 暴露第 0 天； (c-d) PFHxS 暴露 7 天； (e-f) PFBA 暴露 7 天； (g-h) PFHxS 暴露 14 天； (i-j) PFBA 暴露 14 天。缩写： CW ，细胞壁； CH ，叶绿体； M ，线粒体； OG ，嗜锇颗粒； ST ，淀粉颗粒； PL ，质壁分离 。

代谢组学结果显示 ， 不同时间的 PFBA 、 PFHxS 暴露下，苦草叶片中代谢物积累模式存在显著差异，差异表达代谢物（ DEMs ）的数量改变，上调的 DEMs 多于下调（图 3a-b, d ）。这些代谢物主要分为脂质及类脂质分子、有机酸及其衍生物、有机杂环化合物和有机氧化合物等。接触 PFAS 增加了植物中脂肪酸的含量增加，增强细胞膜稳定性；烯酸的浓度降低，有研究表明低浓度的花生四烯酸可以诱导植物抗逆性性，有助于抵抗病原体侵扰（图 3e ）。 PFAS 替代品主要影响 ABC 转运蛋白、嘌呤代谢和 α- 亚 麻酸等代谢途径 （ 图 3c ） 。在 PFBA 、 PFHxS 暴露下， ABC 转运蛋白、淀粉和蔗糖代谢等代谢途径显著富集，且这些途径中注释的 DEMs 均上调 （ 图 4 ） 。与第 0 天相比， PFBA 和 PFHxS 暴露后，脱落酸（ ABA ）和独角金内酯（ SL ）浓度均呈上升趋势，且随暴露时间显著增加，其中 ABA 浓度增幅尤为明显。

图 4. 不同暴露条件下 DEMs 的 KEGG 通路富集分析 。 红色箭头表示由上调的代谢途径，而蓝色箭头表示由下调的代谢途径。气泡的大小表示代谢途径中富集的化合物数量；气泡的颜色表示富集显著性的 p 值水平，颜色越红表示 p 值越小。

主成分分析显示 PFAS 暴露 7 天和 14 天之间存在明显分离 ， 各处理组间的 差异表达基因（ DEGs ） 改变 ，上调差异表达基因数量显著多于下调基因 （图 5a-c ） 。此外 。 PFAS 替代物暴露下，植物激素信号转导、光合作用和光合作用 - 天线蛋白 等途径 显著富集 （图 5d ）。 与 ABA 合成相关的基因 ( CrtZ 、 LUT5 、 ZEP 、 NCED 、 ABA2 和 AAO3 ) 丰度增加，且暴露于 PFAS 替代物 14 天时的丰度高于第 7 天。苦草体内 ABA 可能激活 MAPK 信号通路，叶片中的 PP2C 、 SnRK 及 mapkkk17_18 基因 表达 显著上调，使苦草能够适应并耐受 PFBA 和 PFHxS 的胁迫 （图 6 ）

图 5 . 植物叶片的转录组学分析 。 (a) 主成分分析； (b) 维恩图； (c)DEGs 统计分析； (d) KEGG 富集分析。 X 轴表示 KEGG 通路， y 轴表示富集的显著性水平。

韦恩图表明， 污染物的 暴露影响 叶片 生物膜 中 微生物的多样性 ， 变形菌门、蓝细菌门、厚壁菌门和放线菌门的丰度 较高 （ 图 7 a- b ） 。 PCA 结果 显示暴露第 7 天与第 14 天微生物群落聚类点存在显著距离差异，表明 PFAS 替代品的暴露浓度与暴露时间均影响生物膜细菌群落组成，其中暴露时间的影响更为显著（图 7c ）。热图揭示了不同处理组中优势物种在属水平的分布（图 7d ），红杆菌属在所有处理组中均表现出显著丰度优势。微生物的功能特征如图 7e 所示，氨基酸转运与代谢、能量产生与转化、无机离子转运与代谢三大功能模块占比 较高 。

图 7 . 苦草叶片生物膜的微生物群落分析。 (a) 韦恩图； (b) 丰度前 15 的微生物 ( 门水平 ) ； (c) 主成分分析图； (d) 热图 ( 属 水平 ) ； (e) COG 功能分类图。

综上， 本研究 表明 PFBA 、 PFHxS 可诱导 植物的 毒性反应 ，激活抗氧化防御，破坏细胞结构，损伤程度与暴露时间成正比。此外， PFBA 和 PFHxS 重编程植物代谢和转录过程，如脂质代谢、膜转运、植物激素信号转导和光合作用等途径。通过检测相关基因的表达，发现 CCD7 、 CCD8 、 ZEP 、 NCED 、 ABA2 和 AAO3 的表达上调，促进 ABA 和 SL 的生物合成。同时， ABA 可以激活 MAPK 通路，上调 PP2C 、 SnRK 和 mapkk17_18 的表达，介导植物对 PFAS 替代品胁迫的响应。除此之外， PFAS 替代品暴露会影响叶片生物膜上微生物群落的结构和功能。上述结果为系统评估 PFAS 替代品的水生生态风险提供新视角。

【原文链接】

Yunxing Xiao, Qi Li * , Yixia Yang, Yumiao Zhang, Yifan Shen, Renjie Wei, Yuxin Xiu, Yuxin Liu, Ningfei Lei, Weizhen Zhang , Integrated transcriptomics and metabolomics analysis reveals molecular mechanisms of submerged macrophytes in response to PFBA and PFHxS . Environmental Chemistry and Ecotoxicology 2025, 7, 2519-2528 .

【期刊介绍】

Environmental Chemistry and Ecotoxicology ( 缩写 ENCECO) 主要聚焦化学品在全球环境中的传输规律及其在生态系统中的毒性机制，生物体中的生物利用度和生物蓄积性，食物链中的生物放大，以及生态系统分析中的新技术和新方法、跨学科生态毒理学信息的处理方法等。期刊主要研究方向包括：环境化学、生态毒理学、环境修复、风险评估等。根据科睿唯安发布 2023 年度期刊引证报告， Environmental Chemistry and Ecotoxicology 首个影响因子为 9.0 ，在 ENVIRONMENTAL SCIENCES 和 Toxicology 学科领域均位于 Q1 区。《 2025 年中国科学院文献情报中心期刊分区表》正式发布， Environmental Chemistry and Ecotoxicology 荣列大类：环境科学与生态学 1 区 ， Top 期刊 ；小类： ENVIRONMENTAL SCIENCES 环境科学 1 区 ； TOXICOLOGY 毒理学 1 区 。

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