多溴二苯醚（PBDE）是一类环境中广泛存在有机污染物。由于其具有持久性，高毒性，生物可累积性等特性，其对环境的影响已经成为当前环境科学的一大研究热点。其中2,2",4,4"-四溴二苯醚（BDE-47）是主要的 PBDE，其来源主要是工厂产生的粉尘垃圾以及对电子垃圾的焚烧掩埋，BDE-47 在农作物中的积累最终会以食物的形式被人体吸收，其在人体内的积累会导致婴幼儿出现脑部损伤，还会干扰人的内分泌功能甚至诱发癌症。因此阐明农作物对有机污染物的防御机制，对于提高有机污染条件下谷物的品质极为重要。
近期，来自浙江大学的朱利中院士研究团队在Environment International（IF=7.943）发表了题为“Metabolomics and transcriptomics reveal defense mechanism of rice (Oryzasativa) grains under stress of 2,2′,4,4′-tetrabromodiphenyl ether”的文章。通过对不同耐受性水稻籽粒进行转录组学、非靶向代谢组学等检测，阐明了可能导致抗污染能力差异的分子机制，并对多溴二苯醚污染地区的水稻种植具有重要的参考意义。
方法流程
研究结论
1、BDE-47 处理对两个不同水稻品种的影响
作者将对BDE-47耐受型 LJ-7 和敏感型 YY-9 两个品种的水稻籽粒暴露于浓度为1、10和50 mg / kg 的 BDE-47 中，发现 BDE-47 的累积量在两个水稻品种之间没有明显差异，说明它们之间抗逆性差异不是由吸收 BDE-47 的量导致的。
2、代谢组学分析两种水稻品种对 BDE-47 的耐受性
作者通过非靶向代谢组学检测，发现 LJ-7 和 YY-9 籽粒与对照组相比，暴露于10和50 mg / kg 的 BDE-47 浓度下分别有65种和45种代谢物发生显著变化。与对照组相比在LJ-7中，大多数代谢物含量增加，其中α-酮戊二酸等代谢物增加较多。而暴露于50 mg / kg BDE-47 的 YY-9 中的大多数代谢物的浓度降低，其中乙酸的浓度下降幅度最大，达92％。
作者通过主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）来比较差异和相似性。LJ-7 组中 PCA 图表明50 mg / kg组与对照组之间的分离情况最好。根据 PLS-DA 的 VIP 值得到了15种主要代谢产物，最显著的是 D-松二糖，蔗糖，亚油酸和 D-塔洛糖（图1c）。而 YY-9 的 PCA 模型显示对照组和10 mg / kg组之间的分离情况最好，其中蔗糖，甘油酸，亚油酸，棕榈酸和油酸为导致分离的主要成分（图1d）。通路分析发现 LJ-7 和 YY-9 中氨基酸代谢，糖代谢和三羧酸循环（TCA循环）均发生了显著变化（图1 e和 f）。
图1水稻籽粒的代谢组分析
3、两种水稻品种对 BDE-47 响应的转录组分析
转录组学结果表明在两个水稻品种中表达的基因总数不同。在用1、10和50 mg / kg 浓度的 BDE-47 处理的两品种水稻中，差异基因主要分布在用50 mg / kg的 BDE-47 处理的 LJ-7 和用10 mg / kg 浓度 BDE-47 处理的 YY-9 中（图 2c和e）。作者进行了 KEGG 富集分析，发现两个品种的“代谢途径”均增强，表明差异基因与代谢产物之间存在密切关系。
图2 差异表达基因火山图
4、BDE-47 对代谢相关基因表达的影响
为了了解在转录组水平上暴露于 BDE-47 的 LJ-7 和 YY-9 中的代谢反应机制，结合代谢组学研究结果作者绘制了有关糖代谢、氨基酸代谢和 TCA 循环相关的基因的表达水平途径。在 LJ-7 中编码上述三种途径相关的关键酶的基因表达发生上调（图3a，c和4 a）。对于糖代谢，大多数酶的基因表达均得到增强（图3a）。氨基酸代谢涉及的关键氨基酸有 L -酪氨酸，L -天冬氨酸等11种（图 3c）。这些代谢物通过多步转氨作用，脱氢作用，脱羧作用等相互关联。此外 L-酪氨酸，L-天冬氨酸，L-丙氨酸和 L-赖氨酸可产生 TCA 循环所需的中间体，有助于促进能源消耗，使得 TCA 循环被激活，同时上调了十种酶（图4 a）。
图3 水稻生物合成途径
对于 YY-9 来说参与糖代谢的酶对 BDE-47 的反应相对较弱，在基因表达模式中表现为显着下调，这与相关糖的变化有关（图3 b）。但是，最值得注意的是氨基酸代谢，与 LJ-7 相比，它显示了多种氨基酸之间的更为简单的关系（图3d），除磷酸丝氨酸转氨酶外，该途径中涉及的酶的基因表达均被抑制。尽管 TCA 循环中大多数基因表达的调控与 LJ-7 中相似，但在 YY-9 中琥珀酸脱氢酶和 α-酮戊二酸脱羧酶显著下调（图 4b）。一般而言，在 YY-9 中，TCA 循环受到激活，而糖和氨基酸的生物合成受到抑制。
图4 TCA 循环在代谢物和基因表达水平的变化
研究结论
本研究采用水稻代谢组学和转录组分析相结合的方法，研究了两种水稻品种对 BDE-47 抗性的分子差异。耐药品种 LJ-7 对 BDE-47 胁迫采取了更为有效的应对策略，主要是通过提高能量消耗和促进糖类和氨基酸的生物合成。另一方面，相对敏感的 YY-9 品种在受到 BDE-47 污染时，能量消耗增加，但生物合成受到抑制。这些结果为研究环境污染物对水稻不同生物学效应的分子机制提供了有益的见解。代谢组学和转录组学的综合分析揭示了暴露于 BDE-47 引起的代谢物和基因的变化。这种强有力的结合可能对研究其他有机污染物对不同植物的影响有价值。
