预测模型框架下微纳米塑料与气候变化对西兰花芽苗生理生化响应的协同调控机制

《Journal of Agriculture and Food Research》：Physiological and phytochemical responses of broccoli sprouts to micro/nanoplastics, elevated CO 2 and heat stress under a predictive modeling framework

本研究针对全球气候变化背景下微纳米塑料(MNPs)污染与气候因子(CO2、温度)交互作用对作物品质影响机制不明确的问题，通过多因子控制实验结合神经网络建模，揭示了温度是调控西兰花芽苗生长-防御平衡的主导因子，MNPs作为环境依赖性调节剂通过间接作用影响植物代谢。该研究为预测未来气候场景下农产品功能品质变化提供了新型建模框架。

　　

随着全球气候变化加剧和塑料污染日益严重，农业生态系统正面临着前所未有的多重胁迫压力。大气CO₂浓度升高和气温上升正在重塑作物的生理代谢过程，而土壤中微纳米塑料（MNPs）的积累更是新兴的环境挑战。尽管已有研究分别探讨了这些胁迫因子的独立效应，但它们之间的交互作用及其对作物品质形成的影响机制仍不明确。特别是西兰花芽苗这类富含生物活性物质的功能性食品原料，其对复合胁迫的响应规律直接关系到未来农产品的营养价值和食品安全。

在这项发表于《Journal of Agriculture and Food Research》的研究中，由Marcelo Illanes和María Dolores López-Belchí领衔的研究团队创新性地构建了一个预测模型框架，系统解析了微纳米塑料、高浓度CO₂和热胁迫对西兰花芽苗生理生化特性的复合效应。研究团队通过精巧的实验设计，在控制环境条件下培育西兰花芽苗，设置了不同温度（20°C和28°C）、CO₂浓度（500 ppm和1000 ppm）和塑料处理（聚乙烯微塑料、聚苯乙烯纳米塑料和无塑料对照）的组合实验。通过综合运用生理指标测定、植物激素分析、抗氧化酶活性检测、生物活性物质定量等技术手段，并结合多元统计分析和神经网络建模，揭示了多重胁迫下植物代谢的重编程规律。

关键技术方法包括：通过激光粒度分析仪和扫描电镜表征微纳米塑料的物理特性；采用高效液相色谱-质谱联用技术（HPLC-MS）定量分析葡萄糖苷和酚类化合物；使用氧自由基吸收能力（ORAC）法评估抗氧化活性；运用主成分分析（PCA）和人工神经网络（ANN）构建预测模型。

3.1. 形态学响应

研究表明温度是影响生物量分配的主要驱动因子，高温（28°C）导致芽苗鲜重降低1-13%，而微纳米塑料在热胁迫条件下表现出缓冲效应。特别是聚苯乙烯纳米塑料在28°C下使芽苗鲜重增加30.1-56.6%，表明塑料颗粒可能通过改变基质物理特性间接影响植物生长。

3.2. 植物激素信号传导

赤霉素（GA₃）表现出最显著的环境×塑料交互作用，在20°C/1000 ppm CO₂条件下，聚苯乙烯处理组的GA₃浓度达到峰值14.6 μg g^-1DW，而高温导致GA₃含量下降30-40%。生长素（IAA）在各处理间保持相对稳定，表明激素平衡主要受温度调控。

3.3. 抗氧化酶活性

过氧化氢酶（CAT）活性未显示微纳米塑料处理的显著差异，但温度对其有显著影响，20°C下的CAT活性普遍高于28°C。这表明芽苗可能依赖其他抗氧化途径来应对氧化胁迫。

3.4. 生物活性化合物

3.4.1. 葡萄糖苷

温度是调控葡萄糖苷积累的主导因素，高温（28°C）使总葡萄糖苷含量增加71%，达到约1000-1200 mg 100 g^-1DW。CO₂浓度升高仅在20°C下表现出轻微的抑制效应，而微纳米塑料的影响较小且环境依赖。

3.4.2. 酚类化合物

花青素和芥子酸衍生物对处理条件的响应相对较弱，仅在500 ppm CO₂/28°C条件下，聚苯乙烯处理的花青素含量显著高于无塑料对照。这表明苯丙烷代谢途径对复合胁迫的敏感性低于硫代葡萄糖苷途径。

3.5. 抗氧化能力

氧自由基吸收能力（ORAC）显示温度及其与CO₂、塑料的交互作用是主要影响因素。在1000 ppm CO₂/28°C条件下，聚乙烯处理的抗氧化能力高于聚苯乙烯，表明不同塑料类型对抗氧化活性的调控具有特异性。

3.6. 多元分析与预测模型

主成分分析揭示了一个明确的生长-防御平衡轴（PC1），解释了32.1%的变异。葡萄糖苷与赤霉素、生长素呈负相关，证实了资源分配中的权衡关系。神经网络模型对前三个主成分的预测精度达到R²= 0.86-0.94，表明植物对复合胁迫的响应具有可预测的非线性特征。

研究结论表明，温度是调控西兰花芽苗生理生化响应的主导因子，通过促进葡萄糖苷生物合成而抑制生长，体现了典型的生长-防御平衡。高浓度CO₂在适度条件下表现出刺激效应，但在热胁迫下作用减弱。微纳米塑料作为次要调节因子，通过改变基质物理性质间接影响植物代谢。多元分析和神经网络建模验证了温度中心调控层级的存在，为理解植物对气候-污染物复合胁迫的适应机制提供了新视角。

这项研究的创新之处在于将预测建模框架应用于植物对多重环境胁迫的响应研究，不仅揭示了各因子的相对重要性，还建立了可预测的剂量-效应关系。研究结果对未来气候变化情境下功能性农产品的安全生产具有重要指导意义，为开发适应性种植策略和品质调控技术提供了理论依据。同时，研究中建立的神经网络模型为农业生态系统风险评估提供了新工具，有望应用于其他作物系统的胁迫响应预测。