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一、导读

PBDEs被公认为新兴的一种普遍存在的持久性有机污染物，通常在聚合物泡沫、建筑材料、塑料、电子和家具中用作阻燃剂。其中BDE-47由于分布广泛，并具有高亲脂性和半衰期长的特点，是在环境中检测到的最普遍的PBDEs之一。2，2‘，4，4’-四溴联苯醚(BDE-47)是一种主要的多溴二苯醚(PBDE)。累积的研究表明，BDE-47可以诱导代谢反应并改变动物和人类细胞中相关基因的表达。然而，关于BDE-47在作物中引起的代谢组学和转录组学改变的分子机制的研究较少。

2，2‘，4，4’-四溴联苯醚(BDE-47)是一种主要的多溴二苯醚(PBDE)，因其对环境的影响而受到广泛关注。本研究分别对两个水稻品种，BDE-47耐受的连粳7号(LJ-7)和敏感的品种甬优9号(YY-9)进行了代谢组学和转录组分析，研究它们对BDE-47耐受能力不同的分子机制。研究发现：

LJ-7鉴定到65种代谢物，YY-9鉴定到45种代谢物。耐受品种LJ-7经50 mg/kg BDE-47处理后，代谢产物含量显著升高。敏感品种YY-9代谢物在1 mg/kg和10 mg/kg BDE-47处理后升高，而在50 mg/kg BDE-47处理后下降。
50 mg/kg的BDE-47对LJ-7的基因表达影响最大，10 mg/kg的BDE-47对YY-9的基因表达影响最大，这与两个品种的代谢变化相一致。

3.代谢途径和KEGG富集分析表明，BDE-47抑制了这两个水稻品种能量消耗和生物合成等许多生物学过程。而BDE-47增加了YY-9的能量消耗，而抑制了生物合成过程，导致YY-9对BDE-47的敏感性。

综合分析表明，这两个水稻品种对BDE-47反应的不同防御能力归因于它们在能量消耗策略和籽粒营养成分生物合成方面的差异。本研究为多溴二苯醚污染地区的水稻栽培提供了有益的参考。

原名：Metabolomics and transcriptomics reveal defense mechanism of rice (Oryza sativa) grains under stress of 2,2′,4,4′-tetrabromodiphenyl ether
期刊：Environment International
IF：7.943
发表时间：2019.9
通讯作者：朱利中
通讯作者单位：浙江大学环境与资源学院

二、实验设计

本研究选择BDE-47的耐受性材料LJ-7和敏感性材料YY-9，分别种植于0、1、10和50 mg/kg BDE-47四个不同浓度 的土壤中，约180天后收集谷物。分析两个水稻品种BDE-47浓度及地上部分长度测定，同时去除稻壳后得到糙米进行转录组和代谢组分析。通过对差异表达基因和差异代谢物的联合分析，挖掘不同抗性材料对不同浓度BDE-47的分子响应机制。

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三、实验结果

1. 两个品种籽粒中 BDE-47 含量及形态性状研究

两个品种水稻籽粒中BDE-47 均呈浓度依赖，且积累量没有明显差异，说明它们的 $\color{red}{耐性差异不是由于它们对 BDE-47 的吸收能力不同所致}$ 。
1、10和50 mg/kg的BDE-47对LJ-7的茎叶总长度无显著影响。
50 mg/kg的BDE-47使YY-9的长度缩短6.8%。

2. BDE-47对两个水稻品种的代谢物谱分析

通过GC-MS对两个抗性差异品种籽粒中代谢产物的变化进行了分析，经BDE-47处理后，两品种中代谢物含量相比对照组都发生明显变化，尤其是10 mg/kg和50 mg/kg浓度组与对照组相比差异显著。这两个品种的代谢产物含量表现出相反的趋势。与对照组相比，LJ-7中的65种代谢产物和YY-9中的45种代谢产物的浓度变化显著。

经PCA分析，发现不同浓度污染物中代谢物分布的区别：

在LJ-7品种中，PC1可以将四组之间的差异分开，这解释了总变异的48.2％。与对照组相比，暴露于50 mg / kg 的BDE-47的LJ-7籽粒代谢反应最为显著。根据VIP得分，偏最小二乘判别分析（PLS-DA）确定了15种主要的差异成分，其中最显著的是D-呋喃糖、蔗糖、亚油酸和D-塔罗糖（图2a）。
与LJ-7品种不同的是，YY-9的PCA模型显示四个组之间的PC1分离效果很好，可以解释68.1％的总变异。与对照组相比，暴露于10 mg / kg 的BDE-47的YY-9籽粒代谢反应最显著。PLS-DA和VIP值确定蔗糖、甘油酸、亚油酸、棕榈酸和油酸是对照和处理YY-9之间差异的主要成分。

图1在含有0、1、10和50 mg/kg BDE-47的土壤中生长的水稻籽粒中提取的代谢物的主成分分析(PCA)。a LJ-7子粒的主成分分析。b YY-9子粒的主成分分析

图2 暴露于0、1、10和50 mg/kg BDE-47的两个水稻品种籽粒中前15种代谢物的偏最小二乘判别分析(PLS-DA)的变量投影重要度(VIP)值。a LJ-7 b YY-9

3. 两个水稻品种对BDE-47暴露的转录组谱分析

RNA-Seq结果表明，两个水稻品种表达的基因总数不同。在LJ-7籽粒中检测到55802个基因，在YY-9中检测到55986个基因。

FDR<0.05的基因被定义为差异表达基因（DEG）。通过火山图可以直观的看到，

在LJ-7籽粒中与对照相比，1、10和50 mg/kg的BDE-47中上调基因数分别为213、626和966，下调基因数目分别为107、563和620。
在YY-9中，与对照组相比，三个处理组中上调基因数分别为453、818和85个，下调基因分别为53、771和291个（图4）。

图4 LJ-7(a-c)和YY-9(d-f)籽粒差异表达基因(DEG)的火山图。a，d 1 mg/kg BDE-47处理与对照相比水稻品种的DEG。b，e 10 mg/kg BDE-47处理与对照相比水稻品种的DEG。c，f 50 mg/kg BDE-47处理与对照相比水稻品种的DEG

DEG 的 GO 和 KEGG 富集分析
为了深入了解DEG的生物学意义，研究人员进行了GO和KEGG富集分析。GO富集分析发现所有DEG可分为生物过程、细胞组成和分子功能三大类。

KEGG富集分析发现，

当LJ-7暴露于10 mg/kg和50 mg/kg的BDE-47时，LJ-7相关KEGG通路对BDE-47的应激反应要更强烈，响应差异基因数目更多【不同浓度下，响应程度不同】。
YY-9在10 mg/kg BDE-47作用下的反应最明显，其中10条上调途径和3条下调途径。

KEGG富集分析表明，两个品种的代谢途径均增强，表明DEG与代谢物关系密切。

整体来说，在YY-9的谷物中TCA循环增加，而糖和氨基酸的生物合成受到抑制。而LJ-7品种的谷物糖代谢、氨基酸代谢生物合成相关酶增加。

4. 两个水稻品种的代谢途径分析

研究人员通过代谢途径分析暴露于BDE-47的两个水稻品种的生物学过程的变化。分析发现，LJ-7和YY-9分别有12条和4条代谢途径显著变化。两个品种的氨基酸代谢、糖代谢和三羧酸循环（TCA循环）均发生了显着变化。

图3 DE47对LJ-7(A)和YY-9(B)细胞代谢途径的影响。数字1-13代表以下途径：1.亚油酸代谢；2.丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢；3.甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢；4.异喹啉生物碱合成；5.肌醇磷酸代谢；6.乙醛酸和二羧酸代谢；7.α-亚麻酸代谢；8.酪氨酸代谢；9.三氯乙酸循环；10.甲烷代谢；11.淀粉和蔗糖代谢；12.精氨酸；13.半乳糖代谢。

5. 代谢相关基因对 BDE-47 的响应

为了在转录组水平上研究BDE-47对LJ-7和YY-9细胞的代谢反应机制，研究人员重点研究关键生物学过程相关基因的表达水平。结合代谢组学结果，重点研究了 糖代谢、氨基酸代谢和TCA循环途径的基因表达。代谢物浓度的变化与相关酶的基因表达是一致的。

在LJ-7中，大部分编码上述三个途径中的关键酶的基因表达上调：

糖代谢方面，除蔗糖磷酸酶、β-呋喃果糖苷酶和糖基水解酶外，其余酶的基因表达均增强（图5a）。
氨基酸代谢涉及关键氨基酸，如L-酪氨酸、L-天冬氨酸、L-苏氨酸、甘氨酸、L-丙氨酸、L-赖氨酸、L-丝氨酸、L-脯氨酸、L-谷氨酸、L-异亮氨酸和4-氨基丁酸(GABA)（图5c）。
如图3C所示，L-酪氨酸、L-天冬氨酸、L-丙氨酸和L-赖氨酸可以产生TCA循环所需的中间产物，部分促进了能量消耗。随着10种相关酶的上调，TCA循环被激活（图6a）。柠檬酸合成酶、琥珀酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱羧酶与柠檬酸、琥珀酸和α酮戊二酸的生物合成和降解密切相关。它们的基因表达模式与这三种有机酸的代谢变化是一致的。

YY-9与LJ-7相比，大部分编码上述三个途径中的关键酶的基因表达下调：

参与糖代谢的酶对BDE-47表现出相对负响应，基因表达显著下调，这与相关糖类的变化一致（图5b）。
与LJ-7相比，氨基酸代谢表现为L-苏氨酸、甘氨酸、L-丝氨酸、L-丙氨酸、L-脯氨酸和GABA之间的简单关系（图5d）。除磷酸丝氨酸转氨酶外，参与该途径的酶的基因表达受到抑制。
虽然在TCA循环中大部分基因的表达调控与LJ-7相似，但在YY-9中琥珀酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱羧酶明显下调（图6b）。

YY-9籽粒中的TCA循环被激活，而糖和氨基酸的生物合成受到抑制。

糖代谢：
LJ-7在暴露于10和50 mg / kg的BDE-47后， d-葡萄糖的含量增加了约1.3倍。d-葡萄糖作为光合作用的重要产物，是谷物的主要的碳和能源来源。其次己糖激酶的水平增加，由于只有磷酸化的己糖在植物的生命活动中有效，因此己糖激酶被认为在己糖磷酸化的信号传递中起关键作用。己糖激酶在糖利用的调节中起双重作用，其一可充当糖酵解过程中d-葡萄糖和d-果糖的传感器；其二可作为ROS自由基的清除剂，防止氧化损伤植物细胞。LJ-7谷物中的酶和代谢产物共同抵抗BDE-47暴露后的能量消耗。而在YY-9的谷粒中大部分基因受到抑制，与相关代谢产物的变化一致，这表明YY-9无法产生更多的能量物质来对抗BDE-47的暴露。

2个品种生物合成途径的变化（糖代谢）

氨基酸代谢：
将LJ-7品种分别暴露于10 mg / kg和50 mg / kg的BDE-47后，籽粒中L-赖氨酸的含量分别增加了2.9倍和7.4倍。L-赖氨酸在应对非生物胁迫条件如水分限制、营养限制和氧化胁迫中起重要作用。转录组发现与l-赖氨酸相关的基因表达增强，进一步的促进赖氨酸的生物合成从而发挥抗性品质。与LJ-7中的氨基酸不同，YY-9的谷物中氨基酸变化不显著。综上所述，两个品种之间氨基酸代谢的显着对比表明，在暴露于BDE-47的条件下，LJ-7在植物生长中采取了更为复杂的反应。与YY-9相比，LJ-7中糖和氨基酸的代谢相对活跃，从而解释它们对BDE-47的耐受性的差异。

2个品种生物合成途径的变化（氨基酸代谢）

图5 两个水稻品种的两种生物合成途径(糖和氨基酸的代谢)。LJ-7(A)和YY-9(B)在BDE-47的3个暴露浓度(1，10和50 mg/kg)下，其代谢产物和糖代谢相关基因表达水平发生了变化。在BDE-47暴露下，LJ-7(C)和YY-9(D)籽粒的代谢产物和与氨基酸代谢相关的基因表达水平发生了变化

图6 两个水稻品种的三羧酸(TCA)循环途径。在BDE-47暴露下，LJ-7(A)和YY-9(B)籽粒中的代谢物和定位于TCA循环的基因表达水平发生了变化

结论
利用水稻籽粒代谢组学和转录组相结合的分析方法，研究了两个水稻品种对BDE-47抗性的分子差异。

抗性品种LJ-7对BDE-47的胁迫采取了更为有效的应对策略，主要是通过促进能量消耗和糖、氨基酸的生物合成来实现的。
相对敏感品种YY-9在受到BDE-47污染时，能量消耗增加，但生物合成受到抑制。

这些结果为揭示环境污染物对水稻不同生物效应的分子机制提供了有益的启示。

评论
代谢组学和转录组学的综合分析揭示了接触BDE-47引起的代谢物和基因的变化。本研究重点关注水稻籽粒中发生的代谢和转录变化。对作物如何系统地对不利环境做出反应提供了新的见解，旨在帮助育种计划中的生物标记物选择，并降低可能受到多溴二苯醚污染的农田中的作物健康风险。但是BDE-47对粮食产量和品质的影响目前仍不清楚。利用这两个水稻品种进一步研究环境污染物对作物品质的影响，探索较低浓度的BDE-47和其他污染物的潜在影响是后续研究的重点。

原文网址：https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.105154
转自：http://www.gyagri.com.cn/schq/1875.html