防腐剂尼泊金酯对重要经济作物烟草的毒性机制解析：光合抑制与氧化应激的分子证据

《Industrial Crops and Products》：Unraveling the molecular and physiological responses of a major industrial crop Nicotiana tabacum exposed to preservative parabens

本研究针对广泛使用的防腐剂尼泊金酯（MP/PP）对陆地作物的生态风险尚不明确的问题，通过系统分析烟草（Nicotiana tabacum）在暴露于甲基尼泊金酯（MP）和丙基尼泊金酯（PP）后的生理与分子响应，揭示了其通过抑制光合系统（PSII/PSI）关键基因表达、引发活性氧（ROS）积累及内质网应激，进而导致生长抑制的毒性通路。该研究为评估尼泊金酯类污染物对农业生态系统的潜在威胁提供了关键分子证据，对作物安全生产具有警示意义。

　　

在化妆品、药品和食品工业中广泛应用的尼泊金酯类防腐剂，因其抗菌谱广、稳定性高且成本低廉而备受青睐。然而，这些化学品在生产和使用过程中持续进入环境，在地下水、地表水乃至农业土壤中被频繁检出，形成了“伪持久性”污染。尽管已有研究揭示了尼泊金酯对水生生物和人类的生态毒性（如内分泌干扰作用），但它们对陆地植物，尤其是具有重要经济价值的工业作物生长与生理的影响却鲜有关注，其潜在的分子机制更是一片空白。在此背景下，研究人员选择全球广泛栽培的典型工业作物——烟草（Nicotiana tabacum）作为模型，开展了一项探索性研究，旨在揭示甲基尼泊金酯（MP）和丙基尼泊金酯（PP）暴露下植物的分子与生理响应网络，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》上。

为系统评估尼泊金酯的植物毒性，研究团队设计了一套整合生理生化测定与多组学分析的技术路线。关键技术包括：通过植物效率分析仪（M-PEA）全面测定叶绿素荧光动力学曲线（OJIP曲线）和820 nm光反射曲线，以精确评估光合系统II（PSII）和光合系统I（PSI）的功能状态；利用高通量转录组测序（RNA-seq）结合生物信息学分析（如DESeq2进行差异表达基因筛选），在全基因组层面描绘烟草响应MP/PP的基因表达谱；运用加权基因共表达网络分析（WGCNA）构建基因模块与表型性状的关联网络，并辅以随机森林（Random Forest）模型和Mantel检验等机器学习方法，从海量数据中筛选出与胁迫响应最相关的关键性状和基因；同时，通过常规生化方法测定抗氧化酶（SOD、CAT、POD、APX、GPX、GST、PAO）活性、抗氧化物质（GSH、AsA）含量、植物激素（IAA、JA、ABA）水平以及次生代谢物（类黄酮、木质素）含量等生理指标。

3.1. 甲基尼泊金酯（MP）和丙基尼泊金酯（PP）抑制烟草植株生长

研究人员观察到，经过MP和PP处理的烟草植株在表型上明显小于对照组，叶片颜色变浅。具体生长参数测量显示，与对照组相比，MP和PP处理组的植株高度、最大叶宽和叶长、地上部和地下部鲜重均显著下降（图1b-f）。这表明尼泊金酯暴露对烟草生长产生了明显的抑制作用，且MP与PP的影响程度相似。

3.2. 尼泊金酯诱导烟草植株全基因组基因表达变化

转录组分析揭示了MP和PP处理均能引起烟草基因表达的广泛改变。与对照组相比，PP处理引起的差异表达基因（DEGs）数量略多于MP处理。基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析表明，两种尼泊金酯共同影响的生物学通路包括光合作用、激素信号转导、次生代谢物合成等。特别值得注意的是，与光合作用相关的基因，尤其是编码光系统II（PSII）和光系统I（PSI）核心亚基以及捕光复合体（LHC）的基因（如psbO, psbP, psaD, Lhcb2, Lhca3等）普遍呈现下调趋势（图3a-c）。qRT-PCR验证进一步确认了这些光合关键基因的表达确实受到MP和PP的显著抑制。

3.3. 尼泊金酯对烟草光合作用的不利影响

生理指标测定与基因表达结果相互印证。MP和PP处理导致烟草叶片叶绿素a（Chl a）含量下降约53%，叶绿素b（Chl b）下降约17-19%，总叶绿素（Chl a+b）和类胡萝卜素（Car）含量也显著降低（图4a-e）。气体交换参数显示，净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）均显著下降，而胞间CO₂浓度（Ci）升高（图4f-i）。叶绿素荧光分析表明，最大光化学效率（Fv/Fm）显著降低，OJIP曲线中J点、I点和P点的荧光强度均低于对照组，且反映PSII供体侧和受体侧损伤的V_K、V_J值显著增加（附图1）。这些结果综合表明，尼泊金酯严重破坏了烟草的光合机构，抑制了光能吸收、电子传递和碳同化过程。

3.4. 尼泊金酯对抗氧化系统和植物激素的影响

面对尼泊金酯胁迫，烟草激活了其抗氧化防御系统。研究发现，MP和PP处理显著提高了超氧阴离子（O₂·^-）的产生速率和过氧化氢（H₂O₂）的积累量（图5a-b）。相应地，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、谷胱甘肽S-转移酶（GST）和多胺氧化酶（PAO）的活性均显著增强（图5c, e-g, j-k）。然而，过氧化物酶（POD）活性却异常下降（图5d）。抗氧化物质谷胱甘肽（GSH）和抗坏血酸（AsA）的含量也显著增加（图5h-i）。组织化学染色和荧光探针检测直观地显示了叶片和根中ROS的积累（图5p, q-r, t）。在激素水平上，生长素（IAA）含量下降，而茉莉酸（JA）和脱落酸（ABA）含量上升（图5m-o）。这些变化反映了烟草在尼泊金酯胁迫下进行的生长-防御权衡调控。

3.5. 尼泊金酯干扰次生代谢物的生物合成途径

转录组和生化分析显示，尼泊金酯影响了烟草的次生代谢。类黄酮含量显著增加，其合成通路中的关键基因（如PAL, CHS, CHI）表达上调（图6a, c-d）。而总木质素含量无显著变化，但其合成相关基因（如HCT, COMT, CCR）表达下调（图6b, c-d）。此外，萜类化合物合成相关基因表达普遍受到抑制，而淀粉和蔗糖代谢通路中的基因表达发生改变，淀粉合成相关基因（如AGPase, SS）上调，而降解相关基因（如BMY）下调（图7），提示碳资源分配向防御物质合成倾斜。

3.6. 烟草暴露于尼泊金酯时内质网应激途径的响应

KEGG富集分析发现，内质网（ER）中的蛋白质加工通路是上调DEGs最显著富集的通路之一。深入分析显示，一些ER分子伴侣基因（如BiP, DNAJB11, PDIs）表达下调，而另一些热休克蛋白基因（如Hsp70, Hsp90）以及蛋白酶体系统的大量基因（如Rpn系列, Rpt系列）表达上调（图8）。这表明烟草可能通过抑制部分ER蛋白折叠活性以减少错误折叠蛋白的产生，同时增强蛋白酶体活性以清除受损蛋白，共同应对尼泊金酯引发的氧化应激。

3.7. 机器学习分析揭示烟草响应尼泊金酯的关键因子

通过WGCNA将基因划分为8个共表达模块，其中MEturquoise模块与ROS、抗氧化酶、应激激素（JA, ABA）等胁迫指标正相关，MEblue模块与光合色素、光合参数等生长指标正相关（图9a）。随机森林模型确定V_J, Fm, V_L, F0等荧光参数为最重要的预测性状（图9d）。Mantel检验进一步证实了光合相关性状与基因表达模式的显著相关性（图9e）。这些分析共同凸显了光合作用抑制在尼泊金酯介导的烟草生长抑制中的核心作用。

研究结论与讨论部分强调，本研究首次在工业作物烟草中系统揭示了尼泊金酯（MP/PP）通过多层面协同作用抑制生长的分子生理机制。其核心路径始于对光合系统的直接靶向破坏：尼泊金酯下调捕光复合体和光系统核心亚基基因表达，导致叶绿素含量下降、PSII和PSI功能受损，最终显著降低净光合速率。光合损伤引发ROS爆发，进而激活一套独特的抗氧化防御策略（如增强SOD、CAT、APX、GST活性和GSH-AsA循环），同时伴随植物激素谱的重编程（IAA减少，JA和ABA增加），实现生长与防御的再平衡。此外，烟草通过调整次生代谢（增加类黄酮）和碳资源分配（促进淀粉合成），以及协调内质网应激响应与蛋白酶体降解途径，来适应胁迫环境。机器学习分析进一步将光合相关性状确立为尼泊金酯毒性的关键生物标志物。该研究不仅填补了尼泊金酯对陆地作物毒性机制的知识空白，而且为评估这类新兴污染物对农业生产系统的风险提供了重要的理论依据和潜在的生物监测指标。研究结果警示，广泛存在的尼泊金酯环境污染可能对烟草等经济作物的产量和品质构成潜在威胁，对农业可持续发展和农产品安全具有重要意义。