纳米氧化铜（CuO-NPs）及其溶出的Cu2+离子的植物毒性效应和潜在机制比较

With the widely use of nanomaterials, the releasing of nanoparticles into environment is increasingly frequent. Nanomaterials could be easily absorbed by plants from water, soil and air deposition, and thus threaten animal and human health seriously. At present, the phytotoxicity of nanoparticles has been reported extensively, but it is still not clear that the phytotoxicity of metal nanoparticles is caused by nanoparticles themselves or the released ions. After plant uptake, whether nanoparticles can maintain their nanoscale, and their biological effects are from physical absorption or chemical effect. In the present study, copper oxide nanoparticles( CuO-NPs, typical metal nanomaterial) and lettuce (Lactuca sativa L.) are choose as research materials, to compare the cytotoxicity and genotoxicity of CuO-NPs and Cu2+ ions in lettuce leaves after foliar exposure to metal nanoparticles, and reveal the main cause of the toxicity effects induced by CuO-NPs; To analysis bioaccumulation and biotransformation of CuO-NPs and Cu2+ ions in lettuce and elucidate the specific toxicity and behavior of CuO-NPs; Combine with proteomics analysis, to explore CuO-NPs toxic mechanisms.

随着纳米材料的广泛使用，纳米颗粒物的环境释放日益频繁；纳米材料极易通过水、土壤和空气沉降等途径被植物体吸收，进而威胁动物和人体安全。目前，纳米颗粒物的植物毒性作用已有大量的研究报道，但是还未明确金属纳米颗粒物的植物毒性作用是由颗粒物本身还是其释放的金属离子造成的，纳米颗粒物进入植物体后是否还能保持其纳米级形貌，其生物效应是物理吸附作用还是化学作用。本项目选取典型纳米金属材料纳米氧化铜（CuO-NPs）为研究对象，莴苣（Lactuca sativa L.）为植物材料，模拟植物叶片暴露于金属纳米颗粒物的情境，比较CuO-NPs及其溶出的Cu2+离子对莴苣叶的细胞毒性和遗传毒性，揭示CuO-NPs毒性效应的主要来源；分析CuO-NPs和Cu2+离子在莴苣中的富集和生物转化，明确CuO-NPs的特有毒性和行为；结合蛋白质组学分析，从分子水平探究CuO-NPs的毒性作用机制。

随着纳米材料的广泛使用，纳米颗粒物的环境释放日益频繁；纳米材料极易通过水、土壤和空气沉降等途径被植物体吸收，进而威胁动物和人体安全。然而，纳米颗粒物如何被植物吸收、转移和转化，纳米颗粒物植物毒性作用的主要来源和作用机制还不明确。本课题选取典型纳米颗粒物（nanoparticles，NPs）纳米氧化铜（CuO-NPs，粒径≤50nm），以叶用莴苣（Lactuca sativa L.）为植物材料，模拟植物叶暴露于金属纳米颗粒物的情境，结合显微、质谱、组学测序和生物信息学分析技术探究植物叶对纳米颗粒物的吸收、转化、植物对外界胁迫的生理响应特征以及CuO-NPs的植物毒性作用机制。研究结果表明，CuO-NPs能够吸附在植物叶表面，也能被植物叶片大量吸收，并且由叶向根转移。CuO-NPs处理能够显著抑制植物光合速率，下调光合作用相关基因的表达水平，降低叶绿素和胡萝卜素含量，对莴苣中营养元素（特别是Mn、K、Ca）的含量产生干扰，影响植物叶和根的生长。此外，CuO-NPs能够诱导产生大量的活性氧自由基（ROS），对植物造成氧化损伤（MDA水平升高），引起植物抗氧化系统的变化（POD、CAT酶活性和类黄酮含量升高）。ROS的产生可能是CuO-NPs毒性作用的主要机制之一。由于CuO-NPs溶解出的Cu2+浓度很低，其毒性效应可能主要是由颗粒物本身引起的。植物在与CuO-NPs相互作用的过程中具有一定的解毒机制，包括提高抗氧化酶的活性抵御氧化损伤，通过细胞壁的屏蔽作用减少纳米颗粒物的吸收和转移，以及将Cu转化为难溶态以降低其毒性和迁移性。转录组分析的结果表明，ATP结合盒（ABC）转运蛋白基因家族，重金属关联异戊二烯化植物蛋白（HIPPs）基因家族，内吞作用以及其他金属离子结合和转运蛋白在植物叶片吸收和转运CuO-NPs中起着重要作用。此外，抗氧化酶基因（POD1、MDAR4、APX2和FSDs）的转录水平、类黄酮含量、细胞壁结构和组分以及生长素相关基因表达水平的变化可能对调节CuO-NPs引起的毒性效应至关重要。本研究构建了NPs在不同层面与植物相互作用的网络，从植物叶片暴露的角度揭示金属NPs特异的植物毒性作用机制。研究对于全面了解CuO-NPs的生态风险具有重要意义。