植物代谢邻苯二甲酸酯的机理及分子响应机制

Phytoremediation of pollution caused by phthalate esters (PAEs) is an academic focus in the past few years. Despite extensive studies on the plant uptake and accumulation of PAEs, the transformation mechanisms of PAEs in plants remain poorly understood. Since the more toxic metabolites, monoalkyl phthalate esters, are formed due to the hydrolysis of PAEs, it is necessary to deeply investigate the mechanisms of PAEs detoxification in plants. In the present study, two different kinds of plants (mono- and dicots) and C-14 labeled PAEs would be used to identify the metabolites of different phases and figure out the whole metabolic pathways. In order to investigate the fate of PAEs metabolites in plants, the organic and subcellular distribution of these metabolites would be analyzed through the in vitro and in vivo methods. By applying high-throughput sequencing techniques and bioinformatic approaches, the differentially expressed genes and proteins of Arabidopsis thaliana involved in the PAEs metabolism would be uncovered by the transcriptomic and proteomic analysis, so that to elucidate the molecular mechanisms underlying the metabolism of PAEs in plants. The results of the proposed study are expected to explain the metabolic traits of PAEs and the decontaminative mechanisms in response to these processes in plants, which is supposed to complete the theory of phytoremediation of PAEs contamination.

利用植物修复邻苯二甲酸酯(PAEs)污染是学界近年来关注的研究热点。相比研究较多的植物吸收累积等过程，PAEs进入植物后的代谢行为还有待了解。PAEs在植物体内会水解生成毒性更大的邻苯二甲酸单酯，因此有必要深入研究植物代谢PAEs的过程和机理。本项目拟选取单子叶(小麦)和双子叶(南瓜)植物，以C-14标记PAEs为研究对象，结合活体水培和离体悬浮细胞实验考察PAEs在植物体内不同代谢阶段的产物，明确其代谢途径，并研究代谢产物在器官和亚细胞水平上的分布情况，探讨代谢产物在植物中的归趋行为；应用高通量测序、分子生物学和生物信息学分析方法，分析模式植物拟南芥在代谢PAEs过程中的转录组和蛋白组信息，考察参与代谢的关键基因和蛋白的差异表达情况，以期阐明植物对PAEs代谢的分子响应机制。本研究结果有助于揭示PAEs在植物体内的代谢行为及植物对此过程的调控机理，可进一步完善PAEs污染的植物修复理论。

近年来，有机污染物在植物-土壤系统中的污染问题逐渐浮现，但目前关于有机污染物在植物中的归趋行为仍然不甚清晰。此外，植物对有机污染物胁迫的应答和调控机制也有待了解。阐明有机污染物在植物体内变化的规律和植物响应机制，对评价有机污染物污染的环境风险以及保障农产品的安全生产均有重要的理论和实际意义。本项目以典型季铵盐化合物十二烷基二甲基苄基氯化铵（DBAC）为研究对象，针对DBAC的植物代谢过程和DBAC胁迫下植物的响应机制，通过一系列实验，系统研究DBAC在植物中的代谢途径和归趋行为，同时了解植物对DBAC在分子水平上的响应过程，从污染物归趋和植物响应机制两方面共同揭示DBAC在植物体内的累积和转化机理，完善DBAC环境行为的理论研究。结果显示，在小麦根部鉴定出24个代谢产物，可分为8种类型，涉及3类反应（羟基化、糖苷化和丙二酰化）。实验结束时各类型产物的浓度和比例趋势为羟基化产物 > 丙二酰化产物 > 糖苷化产物。DBAC两条主要代谢途径的产物占总代谢产物的比例达99%。约1/4的产物（丙二酰化产物）会转移至低活性部位（液泡）中。随着胁迫时间延长，根部对DBAC胁迫的响应更为明显；通过KEGG富集分析，发现胁迫早期（0.5 h）主要影响小麦的光合作用、碳代谢、糖代谢等通路，后期（24 h）还会影响谷胱甘肽代谢、信号传导、次级代谢等通路，表明在胁迫早期植物可能通过加强光合作用产生更多能量来应对胁迫，同时糖代谢通路的激活也可能与DBAC的糖苷化代谢过程有关，当DBAC处理时间较长产生氧化胁迫时，小麦则通过激活谷胱甘肽相关生理代谢过程来保持自身细胞氧化还原的内稳态，从而增加对DBAC胁迫的适应性。