硝酸盐对小麦（Triticum aestivum L.）中有机磷酸酯吸收和转运的影响

《Environmental Pollution》：Influence of nitrate on uptake and translocation of organophosphate esters in wheat ( Triticum aestivum L.)

硝态氮调控小麦对TCEP和TnBP的吸收转运机制研究：通过同位素示踪、转录组学和分子对接模拟，发现硝态氮显著抑制小麦根部对TCEP和TnBP的吸收及向茎叶转运，低浓度（40 mg/L）抑制效应更强。分子机制表明硝态氮通过抑制水通道蛋白介导的TCEP转运，下调SLAH2和NRT1基因表达，并与TCEP竞争结合转运蛋白活性位点实现调控。该研究为优化氮肥施用以减少作物中OPEs污染提供理论依据。

　　

刘帅豪|薛红义|王国光|王亚娜|侯佳萌|张静雅|王海霞|刘宇

大连海事大学环境科学与工程学院，中国大连市临海路1号，116026

摘要

₃）和高浓度（HN，100 mg/L NaNO₃）的硝酸盐均显著抑制了TCEP和TnBP在根部的吸收及其向地上部分的转运，其中低浓度下的抑制效果更为明显。化合物特异性稳定同位素分析显示，硝酸盐通过小麦根部的水通道蛋白（aquaporins）减少了TCEP的吸收，特别是抑制了含有重碳同位素的TCEP分子的跨膜转运。转录组学和分子对接模拟一致表明，SLAH2和NRT1这两种硝酸盐特异性转运蛋白参与了TCEP的跨膜转运；硝酸盐通过下调SLAH2和NRT1的基因表达，并与这两种转运蛋白的活性位点竞争性结合，从而抑制了TCEP的转运。总体而言，本研究阐明了硝酸盐能够有效抑制小麦对TCEP和TnBP的吸收，为利用硝酸盐减轻作物中OPEs污染提供了依据。

引言

有机磷酸酯（OPEs）是一类合成有机磷化合物，在全球限制多溴联苯醚（PBDEs）的使用后，被广泛用作增塑剂和阻燃剂（Zhou等人，2025年）。因此，它们在水（Yan等人，2025年）、土壤（Gong等人，2022年）、沉积物（Xie等人，2024年）、大气（Lao等人，2022年）和灰尘（Pang等人，2022年）中频繁被检测到。回收废水灌溉和生物固体的使用可能会将大量OPEs引入农业土壤（Hyland等人，2015年）。有文献记载，OPEs可以从土壤中积累到作物中，并最终通过食物链传递给人类（Gu等人，2023年）。研究表明，OPEs对人体具有多种潜在毒性，包括心脏毒性（Fang等人，2023年）、神经毒性（Wang等人，2023年）和内分泌干扰作用（Ai等人，2023年）。因此，近年来，OPEs在植物（尤其是作物）中的行为和归趋引起了公众和研究人员的广泛关注。植物对OPEs的吸收和转运在很大程度上取决于这些污染物的理化性质。通常，具有高辛醇-水分配系数（Log K_ow）的OPEs倾向于在根部脂质中积累，而具有低Log K_OW的OPEs则更可能通过蒸腾作用向地上部分转运（Li等人，2022年；Wang等人，2025年）。此外，植物的生理特性也影响OPEs在植物中的吸收和积累。Liu等人观察到OPEs的吸收速率与根部蛋白质含量呈正相关，表明特定蛋白质介导了OPEs的跨膜转运（Liu等人，2019年）。最新证据进一步表明，植物根部对OPEs的吸收是通过水通道蛋白和阴离子通道介导的（Liu等人，2024年）。

然而，目前关于植物对OPEs吸收和转运的研究主要局限于受控的实验室条件，对外部环境因素的调节作用缺乏系统性的研究。最近的研究表明，环境因素可能显著影响植物内污染物的吸收和转运。例如，土壤中的高分子量溶解有机物可以通过激活质膜H⁺-ATP酶活性来抑制小麦根部对6:2 Cl-PFESA的吸收（Guo等人，2022年）。此外，低水平的可利用铁显著抑制了6:2 Cl-PFESA在地上部分的吸收和转运，而过量的可利用铁通过增加根膜通透性和可溶性蛋白质含量促进了其在大豆中的吸收和转运（He等人，2025年）。这些发现共同强调了环境因素在调节植物对污染物吸收和转运中的重要作用。作为植物生长的必需营养素，氮可能影响植物在吸收养分过程中的污染物吸收和转运。由于土壤中的可利用氮总是有限的，农业生产通常需要施用氮肥来满足作物的营养需求（Ge等人，2016年）。研究表明，氮可以通过提高抗氧化酶活性（Wang等人，2024a）、调节植物激素代谢和调节蛋白质合成途径（Luo等人，2020年）来增强植物的抗逆性，从而减轻逆境条件下的生理损伤（Huo等人，2019年）。此外，氮肥施用量还影响植物对重金属的吸收和耐受性。适当的氮补充增强了植物对镉的抵抗力，并减少了其在植物中的积累（Zhang等人，2021年），氮还显著影响了砷的吸收及其向地上部分的转运效率（Srivastava等人，2019年）。化合物特异性同位素分析（CSIA）是一种强大的工具，可用于识别和区分复杂环境条件下有机污染物吸收和转运过程中与浓度无关的机制，提供原子级别的见解（Liu等人，2020b）。然而，氮对OPEs吸收和积累的影响及其潜在的调节机制在植物中仍不明确。

因此，本研究通过水培实验结合稳定碳同位素分析、转录组学和分子对接模拟，系统研究了硝酸盐对小麦中OPEs吸收和转运的调节机制。作为作物的主要无机氮源，选择硝酸盐作为研究对象。由于TCEP和TnBP在土壤中的高检测频率和浓度，选择了这两种代表性的OPEs作为目标污染物。本研究的目标是：（1）分析不同浓度硝酸盐对小麦根部和地上部分OPEs积累的影响；（2）揭示硝酸盐影响下OPEs吸收和转运过程中稳定碳组成的变化；（3）解析与硝酸盐介导的OPEs吸收和转运相关的分子调控机制和相关功能基因。这些发现提供了关于硝酸盐如何调节小麦中OPEs吸收和转运的机制性见解，有助于优化氮肥施用策略，以减轻可食用作物中的OPEs污染并提高食品安全。

化学物质和试剂

小麦种子（Triticum aestivum L. cv. Jingdong 22）由中国农业科学院（北京）提供。TCEP（纯度≥99%）和TnBP（纯度≥99%）的标准品购自AccuStandard Inc.（美国）。所有有机溶剂，如-己烷、二氯甲烷、乙腈和异辛烷，均为高效液相色谱级，由J&K Chemical Co., Ltd.（北京）提供。去离子水（18.2 MΩ）使用Milli-Q制备。

在NO₃^-作用下，小麦对OPE胁迫的生长反应

在暴露于TCEP和TnBP的情况下，测量了CK、LN和HN组小麦根部和地上部分的干重。结果表明，HN处理下的小麦干重与CK组相当（图S1a），表明HN对根部生长没有显著影响。LN处理中也观察到了类似现象。然而，在培养结束时，240小时时LN组的根部干重明显低于CK组（图S1a）。

结论

本研究结合了化合物特异性稳定同位素分析、转录组学和分子对接模拟，系统阐明了硝酸盐对小麦中TCEP和TnBP吸收和转运的影响。添加硝酸盐可以抑制TCEP和TnBP在小麦中的吸收和转运，抑制程度取决于OPEs的类型。与关键转运蛋白（水通道蛋白、硝酸盐转运蛋白SLAH2和NRT1）相关的基因表达下调

CRediT作者贡献声明

王国光：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，资金获取，概念构思。刘帅豪：撰写 – 初稿，方法学，实验研究，概念构思。薛红义：撰写 – 初稿，可视化，方法学，实验研究。王亚娜：方法学，实验研究。侯佳萌：验证，资源获取，正式分析，数据管理。张静雅：验证，方法学。王海霞：可视化，验证，实验研究。刘宇：

未引用的参考文献

Liu等人，2024年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号41907311）、中央高校基本科研业务费（项目编号3132023505）和辽宁振兴人才计划（项目编号XLYC1802036）的支持。