沉水植物响应PFBA和PFHxS胁迫的分子机制：转录组学与代谢组学整合分析

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Integrated transcriptomics and metabolomics analysis reveals molecular mechanisms of submerged macrophytes in response to PFBA and PFHxS

　　本研究针对因PFOA和PFOS被禁而日益关注的其替代品PFASs（如PFBA和PFHxS）的生态风险问题，通过整合转录组学、代谢组学及微生物群落分析，揭示了沉水植物Vallisneria natans及其附生生物膜在环境相关浓度PFBA和PFHxS暴露下的生理、分子及微生物响应机制，为评估PFAS替代品的水生生态毒性提供了重要理论依据。

　　

随着全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)因其持久性和毒性被禁用，其替代品——短链全氟和多氟烷基物质(PFASs)的环境与健康风险成为关注焦点。其中，全氟丁酸(PFBA)和全氟己烷磺酸(PFHxS)作为典型替代品，已在全球多种水体环境中被检测出，浓度范围从ng/L到μg/L级别，尤其在部分工业区周边水体中浓度较高。尽管这些短链PFASs被认为生物累积性和毒性较低，但其对水生生态系统，特别是对具有重要生态功能的沉水植物的潜在影响尚不清楚。沉水植物如Vallisneria natans（苦草）是淡水生态系统的关键物种，在维持水体净化、系统稳定性和营养循环方面发挥着不可替代的作用。此外，附着在植物体表的生物膜作为污染物接触的第一道界面，其结构和功能的变化可能直接影响植物对胁迫的响应。因此，探究PFAS替代品对沉水植物及其附生生物膜的毒性效应与分子机制，对于全面评估其生态风险至关重要。本研究发表于《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》，旨在通过多组学整合分析，系统揭示PFBA和PFHxS对苦草的毒性作用机制。

研究人员主要运用了生理生化指标测定、超微结构观察（扫描电镜SEM和透射电镜TEM）、非靶向代谢组学分析（采用LC-MS/MS技术）、转录组学分析（RNA-seq）以及生物膜微生物群落高通量测序等关键技术方法。实验以苦草为材料，暴露于不同浓度PFBA和PFHxS（0.1和10 μg·L^?1）下7天和14天，并设置对照组。

3.1. 可溶性蛋白和氧化响应

暴露PFBA和PFHxS后，苦草叶片可溶性蛋白含量先升后降，表明植物初期合成抗性蛋白，后期可能因合成酶活性下降而减少。丙二醛(MDA)含量显著增加，表明细胞膜发生脂质过氧化。超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性以及还原型谷胱甘肽(GSH)含量均发生显著变化，先升高后降低，说明PFAS替代品激活了植物的抗氧化防御系统，但随暴露时间延长，该系统可能受损。

3.2. 苦草的超微结构变化

透射电镜观察显示，暴露PFAS后，苦草叶肉细胞出现明显变化：淀粉粒和嗜锇颗粒增多、细胞膜发生质壁分离、叶绿体形态改变、类囊体片层紊乱、线粒体脊减少。且随着暴露时间延长至14天，细胞器损伤加剧，表明PFAS胁迫对植物细胞造成了实质性损伤。

3.3. 苦草的代谢响应

代谢组学分析发现，PFAS暴露显著改变了苦草的代谢物谱，共注释到964种代谢物。差异表达代谢物(DEMs)主要涉及脂质和类脂分子、有机酸及其衍生物等。暴露上调了脂肪酸含量，但降低了烯酸含量。KEGG富集分析表明，ABC转运蛋白、α-亚麻酸代谢、植物激素信号转导等通路显著富集。特别是脱落酸(ABA)和独脚金内酯(SL)的含量随暴露时间和浓度增加而显著上升。

3.4. 苦草的转录调控

转录组学分析共鉴定出大量差异表达基因(DEGs)。KEGG富集显示，植物激素信号转导、光合作用等相关通路显著富集。与光合作用相关的基因（如LHCA, LHCB, psa, psb, pet）均显著上调。ABA合成关键基因（如ZEP, NCED, ABA2, AAO3）和SL合成关键基因（如CCD7, CCD8）表达上调。ABA可能通过激活MAPK信号通路（伴随PP2C, SnRK, mapkkk17_18基因上调）来增强植物耐受性。

3.5. 微生物多样性和附生生物膜的SEM

扫描电镜显示PFAS暴露后苦草叶片表面生物膜（含藻类、细菌和多糖）明显。微生物群落分析表明，PFAS暴露影响了生物膜微生物的多样性和群落结构，优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)和蓝藻门(Cyanobacteria)。群体感应信号分子AHL和AIP的含量在特定处理下（如高浓度PFBA暴露14天）显著变化，表明PFAS通过调控群体感应系统影响生物膜的形成和稳定性。

本研究通过生理生化、超微结构、代谢组、转录组和微生物群落多维度分析，系统阐明了PFBA和PFHxS对沉水植物苦草及其附生生物膜的毒性效应与分子适应机制。研究发现，PFAS替代品诱导苦草发生氧化应激、细胞结构损伤，同时触发广泛的代谢和转录重编程，特别是激活了ABA和SL的生物合成及其信号转导通路（包括MAPK通路），并调控了光合作用相关基因表达。此外，PFAS暴露还改变了附生生物膜的微生物群落结构和功能，通过群体感应信号分子影响生物膜稳定性。该研究首次揭示了植物通过ABA激活MAPK通路以应对PFAS胁迫的新信号转导机制，深化了对PFAS替代品生态毒理学的理解，为科学评估其水生环境风险提供了重要的理论依据和数据支持。