《Journal of Hazardous Materials》：Ploidy-Dependent Carbon Nanotube Mitigation of Polystyrene Microplastic Stress Safeguards Medicinal Quality in
Salvia miltiorrhiza Cultures
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本研究利用二倍体和三倍体丹参离体培养系统，探究多壁碳纳米管（MWCNTs）对微塑料（PSMPs）毒性的缓解机制，发现MWCNTs通过降低PSMPs积累和稳定氧化还原平衡，显著改善三倍体丹参的生长及次生代谢产物含量，为微塑料污染下的药用植物保护提供新策略。
Bing Zhang|Yibo Dong|Shuaiqi Wang|Haoyu Dong|Jiehua Wang
天津大学环境科学与工程学院，中国天津300072
摘要
微塑料通过干扰植物的生理和代谢功能，威胁其生产力和药用品质。以药用植物丹参（Salvia miltiorrhiza）为研究对象，我们建立了一个具有明确倍性的体外培养系统（二倍体NY和三倍体810），以测试多壁碳纳米管（MWCNTs）如何以与倍性相关的方式减轻聚苯乙烯微塑料（PSMPs）的毒性，评估其对再生、整株植物生长、毛状根代谢和目标基因表达的影响。研究发现，PSMPs使二氢丹参酮和丹参酚B的含量减少了约50%，而MWCNTs则使这些代谢物的含量恢复甚至超过了对照组17%。目标基因表达分析显示，PSMPs下调了酚酸和丹参酮的关键生物合成途径，而MWCNTs重新激活了这些途径，其中三倍体植物的恢复效果更为显著。PSMPs暴露显著抑制了植物高度和茎部生长：在15 mg·L-1的浓度下，NY植物的高度降低了40%，810植物的高度降低了33%，茎部生长减少了60%以上。MWCNTs共处理可缩短茎部形成时间6天，且三倍体植物的恢复能力更强。PSMPs还使活性氧物种增加了约30%，并降低了光系统II的效率10%，而5 mg·L-1的MWCNTs则将氧化指标降低了近20%，并将光合作用效率恢复到对照组的95%。总体而言，MWCNTs通过减少内部PSMPs积累并稳定氧化还原状态、激素平衡、光合作用和发育过程，以与倍性相关的方式减轻了PSMPs引起的植物毒性。这些发现为理解微塑料引起的植物毒性提供了一个考虑倍性的、适用于植物的框架，为减轻微塑料危害和保护受污染环境中的生物量和药用产物提供了实用策略。
引言
微塑料污染已成为水生和陆地生态系统中的普遍环境危害[1]，[2]。微塑料（MPs）定义为小于5毫米的颗粒，主要来源于聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP）[3]。其中，PS来源的MPs（PSMPs）由于其化学稳定性而广泛分布且具有高度持久性，引发了人们对生态风险和潜在健康影响的担忧[4]，[5]。在土壤和培养基中，MPs可以渗透根际界面，破坏水分和养分平衡以及核心生理功能，导致农业和药用植物系统的产量损失、代谢紊乱以及生物量和产品质量下降[6]，[7]。因此，迫切需要开发适用于植物的缓解策略，以减少微塑料的危害和暴露，同时保持作物产量和药用品质。
多壁碳纳米管（MWCNTs）具有较大的表面积和强吸附能力，能够有效吸附有机污染物，使其成为调节植物-土壤界面污染物暴露的有前景的工具[8]。通过吸附、静电相互作用和物理捕获，这些纳米管可以与MPs结合，从而降低其生物可利用性[9]，[10]。从生理学角度来看，MWCNTs可以调节抗氧化系统和应激信号传导，可能缓解非生物胁迫[Mahmoud等人，2025年]。研究表明，MWCNTs不仅通过与污染物的物理相互作用，还通过直接影响与耐受性相关的代谢途径和基因表达来增强植物的抗逆性[11]。与其完全去除微塑料，不如降低其生物可利用性和植物毒性，这是在受污染土壤和培养基中一种现实的缓解方法，使MWCNTs成为降低植物暴露和损伤的辅助处理手段[12]，[13]。
为了在受控条件下评估这些相互作用，植物组织培养提供了一个标准化且敏感的生物测定平台。丹参（Salvia miltiorrhiza）是一种富含酚酸（如丹参酚B）和丹参酮（如丹参酮IIA）的模式药用植物，这些都是制药中的关键质量指标[14]，[15]，[16]。体外培养可以精确评估应激对生长、氧化还原稳态、激素信号传导和次级代谢的影响[17]，[18]，[19]。在体外培养条件下，MPs可引发过多的活性氧（ROS）积累和下游代谢功能障碍。虽然一些纳米材料（如碳纳米管（CNTs）也会产生类似效应，但许多纳米材料在适当选择的情况下也具有缓解潜力[12]，为缓解研究提供了可测量的终点[20]，[21]。药用植物尤为重要，因为微塑料引起的次级代谢变化直接影响治疗效果和安全性。这突显了开发有效缓解策略以保护这些物种的药用价值并确保植物源药物的持续有效性和安全性的迫切需求。尽管人们对作物和水生植物中MPs毒性的关注日益增加，但MWCNTs共处理在药用植物组织培养中减轻MPs引起的植物毒性的潜力仍需进一步探索。我们之前在杨树等木本植物中的研究表明，PS-MPs和MWCNTs会影响同一倍性背景下的微繁殖效率、氧化应激和光合作用特性，但未分析特定代谢物[22]。初步研究表明，MWCNTs可以通过限制ROS积累和恢复抗氧化能力来减轻MPs的毒性[23]，但缓解程度可能取决于影响耐受性和次级代谢的遗传和生理因素[11]，[24]，[25]。在S. miltiorrhiza中，多倍化被报道可以增加根系生物量和代谢产物产量；例如，四倍体品系比二倍体品系积累更多的二氢丹参酮I和总丹参酮[26]。总体而言，多倍体植物通常表现出更强的活力、抗氧化能力和稳态缓冲能力[27]。这些例子凸显了一个关键空白：倍性在调节植物对微塑料应激反应中的作用以及基于纳米材料的缓解效果尚未得到系统研究。本研究系统地探讨了MWCNTs在具有明确倍性水平（二倍体NY和三倍体810）的S. miltiorrhiza组织培养中减轻PSMP毒性的能力。与仅评估生长抑制的先前研究不同，我们的主要目标是探讨与倍性相关的恢复机制。通过分阶段的体外系统，我们评估了PSMPs对再生、氧化还原平衡、光合作用性能和次级代谢的影响，然后测试了MWCNT共处理是否以与倍性相关的方式缓解这些效应。通过将倍性纳入微塑料生态毒性评估，这项工作为理解新兴污染物、工程纳米材料与植物生理复杂性之间的相互作用提供了新的见解，并为设计环境兼容的策略以减轻PSMP危害和保护受污染环境中的生物量和药用产物提供了基于倍性的框架。
植物材料、培养条件、处理方法和表型分析
从温室中健康的土壤培养的二倍体（NY）和三倍体（810）丹参植物中收集顶端茎部。为了建立无菌培养，将茎部浸入70%乙醇中2分钟进行表面消毒，然后短暂火焰消毒，再用0.2%次氯酸钠处理10分钟，最后用无菌蒸馏水冲洗三次[28]。消毒后的外植体在添加了30 mg·L-1营养成分的Murashige和Skoog（MS）固体培养基上培养。
PSMP–CNT共暴露下毛状根生物量和药用代谢物的倍性依赖性变化
尽管毛状根培养系统在遗传稳定性、生长速度快和代谢活性高方面具有优势，且对氧化还原紊乱和途径级变化特别敏感[19]，[20]，但直接研究MPs对药用植物毛状根培养影响的研究仍然很少。此外，毛状根直接决定了根系衍生草药产品的产量和组成，使其成为评估微塑料危害的相关指标。在本研究中，我们...结论
本研究建立了一个考虑倍性的、基于机制的框架，用于减轻药用植物系统中微塑料引起的植物毒性。通过使用一个结合了再生、整株植物生长、毛状根和目标基因表达分析的受控丹参组织培养模型，我们发现PSMPs会干扰新茎的形成、氧化还原稳态、激素稳态以及酚酸和丹参酮的生物合成，从而导致生物量和...
环境意义
农业土壤中的微塑料污染不仅威胁植物生产力，还影响高价值药用植物（如丹参）的药用品质，损害其再生能力、生长以及药理活性酚酸和丹参酮的生物合成，从而降低药用产量。多壁碳纳米管可以作为适用于植物的辅助处理手段，减少内部PS微塑料的积累，并部分恢复氧化还原平衡、光合作用...
作者贡献声明
Bing Zhang主要进行了实验并编辑了手稿。Yibo Dong准备了手稿中的插图。Shuaiqi Wang和Haoyu Dong参与了论文的讨论。Jiehua Wang构思并设计了实验，监督了项目并撰写了手稿。
CRediT作者贡献声明
Jiehua Wang：撰写——初稿，监督，资源管理，概念化。Shuaiqi Wang：软件使用，数据管理。Haoyu Dong：可视化，方法学。Bing Zhang：撰写——审稿与编辑，调查，数据管理，概念化。Yibo Dong：可视化，软件使用。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作
