定量蛋白质组学揭示四种典型紫外线过滤剂对小白菜（Brassica rapa L. ssp. chinensis）的根特异性响应机制及植物毒性

《Plant Physiology and Biochemistry》：Quantitative proteomics unravels root-specific response mechanisms and phytotoxicity of four typical UV filters in pakchoi (Brassica rapa L. ssp. chinensis)

研究人员采用定量蛋白质组学技术，系统解析了四种广泛检出的有机紫外线过滤剂——氧苯酮（oxybenzone, OBZ）、阿伏苯宗（avobenzone, AVB）、奥克立林（octocrylene, OCR）和甲氧基肉桂酸乙基己酯（octinoxate, OMC）——暴露下小白菜（Brassica rapa ssp. chinensis）根系的分子响应特征。研究共定量到8656个蛋白质，其中OBZ、AVB、OCR和OMC处理分别鉴定到632、482、251和393个差异表达蛋白（differentially expressed proteins, DEPs）。功能富集分析显示，这些DEPs显著富集于活性氧（reactive oxygen species, ROS）清除、糖酵解（glycolysis, EMP）-三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环、呼吸电子传递链、脂肪酸代谢及氨基酸生物合成等关键通路。生理检测证实四种紫外线过滤剂均诱导小白菜根系产生显著氧化胁迫，表现为ROS积累与脂质过氧化水平升高。蛋白质表达模式显示，EMP途径关键酶（6-磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶）与TCA循环酶（异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶）普遍下调，而脂肪酸代谢相关蛋白（乙醛脱氢酶、长链脂肪酸ω-单加氧酶、酰基辅酶A氧化酶及Δ3-Δ2-烯酰辅酶A异构酶）则以上调为主，提示能量代谢与脂代谢发生重编程。同时，抗氧化酶系（谷胱甘肽S-转移酶、过氧化物酶及过氧化氢酶）蛋白丰度普遍上升，与生理水平的酶活性增强一致。该研究首次提供了小白菜根系响应紫外线过滤剂的蛋白质组全景图谱，阐明了其植物毒性的分子机制，为培育抗逆作物品种、保障农业生产力和食品安全提供了重要参考。

本研究由周成波、钟欣、王森、邹文武、孙吉、林晨伟、杨其长、李树浩完成，发表于《Plant Physiology and Biochemistry》。研究聚焦于农业环境中日益凸显的新兴有机污染物——紫外线过滤剂对高等植物的分子毒理机制空白，选取小白菜（Brassica rapa ssp. chinensis）为模式作物，系统揭示了四种典型紫外线过滤剂（OBZ、AVB、OCR、OMC）暴露下根系的特异性响应网络。当前研究多集中于地上部光合抑制，忽视了根系作为土壤污染物首要感知界面的应激机制，而十字花科蔬菜的经济重要性及其污染物富集潜力使得这一认知缺口尤为关键。研究人员通过整合定量蛋白质组学与生理生化分析，证实了紫外线过滤剂通过干扰根系核心代谢通路诱发氧化胁迫，进而导致生长抑制，为评估农业生态风险及制定防控策略提供了分子层面的实证依据。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，建立水培暴露体系，将小白菜幼苗置于含50 μmol·L^-1单一紫外线过滤剂的营养液中处理5天，设置溶剂对照；其次，利用WinRHIZO软件进行根系形态扫描分析；第三，采用商业试剂盒测定根系活性氧（超氧阴离子O₂^·-、过氧化氢H₂O₂）含量、丙二醛（malondialdehyde, MDA）含量及抗氧化酶（超氧化物歧化酶superoxide dismutase, SOD、过氧化物酶peroxidase, POD、过氧化氢酶catalase, CAT）活性；第四，应用4D-SmartDIA数据非依赖采集（data-independent acquisition, DIA）蛋白质组学技术，结合DIA-NN软件对根系样本进行定量分析，以倍数变化（fold change, FC）>1.5或<0.67且p<0.05为标准筛选差异表达蛋白，并进行KOG功能分类与KEGG通路富集分析。

3.1. 紫外线过滤剂暴露对小白菜根系生长及氧化还原代谢的影响

研究人员发现四种紫外线过滤剂均显著抑制小白菜根系发育，总根长、根体积及根尖数显著降低。同时，所有处理组均观察到显著的活性氧爆发与膜脂过氧化损伤，表现为O₂^·-产生速率、H₂O₂含量及MDA含量上升。抗氧化酶响应呈现化合物特异性：OBZ、AVB和OMC处理显著诱导POD和CAT活性升高，而OCR处理对二者无显著影响，SOD活性在各处理间均无显著变化。

3.2. 小白菜根系对紫外线过滤剂暴露的蛋白质组响应

定量蛋白质组学共可靠定量8656个蛋白质，生物学重复间Pearson相关系数>0.97，主成分分析显示处理组与对照组明显分离。差异表达蛋白数量分别为OBZ 632个（上调443/下调189）、AVB 482个（上调232/下调250）、OCR 251个（上调158/下调93）、OMC 393个（上调261/下调132）。KOG功能分类显示，“能量产生与转换”、“碳水化合物运输与代谢”、“次级代谢产物生物合成、运输与分解代谢”及“氨基酸运输与代谢”是受影响最显著的功能类别。

3.3. 差异表达蛋白的KEGG通路聚类分析

通路富集分析表明，中心碳代谢、氮代谢和脂肪酸代谢通路在所有处理中均发生一致性调控，构成适应性响应的核心。此外，各化合物诱导了特异的通路变化：OBZ显著上调脂肪酸降解、谷胱甘肽代谢及过氧化物酶体功能相关蛋白；AVB主要增强苯丙素生物合成、MAPK信号通路相关蛋白；OCR上调植物激素信号转导及内质网蛋白加工通路；OMC则影响苯丙素生物合成及卟啉代谢。值得注意的是，硫代葡萄糖苷和单环β-内酰胺生物合成通路在所有处理中均显著富集。

3.4. 紫外线过滤剂对小白菜根系抗氧化蛋白的影响

紫外线过滤剂显著改变抗氧化蛋白丰度。过氧化物酶（POD）蛋白普遍上调，其中AVB诱导效应最强（12个POD上调），OBZ次之，OCR响应最弱。谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase, GST）呈现分化调控：OBZ强烈上调11个GST（FC=1.62–5.62），而OCR和OMC则主要下调GST。超氧化物歧化酶（SOD）相关蛋白变化较少，铜伴侣CCS在OBZ和AVB下显著下调，两个SOD1亚型在所有处理中均上调。过氧化氢酶（CAT）蛋白在OBZ、AVB和OMC下普遍上调，与生理活性增强一致。

3.5. 紫外线过滤剂诱导的中心代谢通路变化

中心碳代谢中，糖酵解（6-磷酸果糖激酶PFK、丙酮酸激酶PK等）和TCA循环（异柠檬酸脱氢酶IDH3、苹果酸脱氢酶MDH1等）关键酶蛋白普遍下调，而厌氧代谢相关蛋白（丙酮酸脱羧酶PDC、乙醛脱氢酶ALDH）显著上调，提示代谢向无氧途径偏移。氨基酸代谢呈现选择性重编程：精氨酸、酪氨酸代谢相关蛋白（乙酰鸟氨酸脱乙酰酶argE等）上调，而芳香族及支链氨基酸合成蛋白（色氨酸合酶β链trpB等）下调。脂肪酸代谢表现为合成酶下调、水解酶上调。线粒体呼吸电子传递链（electron transport chain, ETC）复合物I、II、III、V组分普遍上调，但ATP合酶γ亚基（ATPF1G）及质膜H⁺-ATP酶（PMA1）持续下调，其中OBZ对ETC的激活效应最为显著。

3.6. 紫外线过滤剂对ABC转运蛋白及细胞周期相关蛋白的调控

OBZ处理强烈诱导多种ATP结合盒式（ATP-binding cassette, ABC）转运蛋白表达，上调幅度达1.51至9.49倍，暗示其在污染物外排与隔离中的潜在作用。

在讨论部分，研究人员指出紫外线过滤剂诱导了多层次抗氧化防御，包括经典酶系（SOD-POD-CAT）与谷胱甘肽依赖的解毒途径协同激活，以应对氧化胁迫。根系碳氮代谢发生适应性重编程：由于地上部光合抑制导致同化物供应不足，根系通过下调耗能的GS/GOGAT氮同化途径、增强氨基酸周转（如精氨酸积累）及动员脂质分解代谢来维持能量稳态。ABC转运蛋白呈现化合物特异性的亚家族调控模式，特别是ABCG/PDR型转运蛋白的显著诱导，揭示了植物针对不同类型异源物质的差异化外排策略。研究强调，尽管小白菜启动了复杂的防御网络，紫外线过滤剂仍通过资源从生长向防御的重新分配，对作物生产力构成实质性威胁。

5. 结论

研究人员得出结论，紫外线过滤剂暴露通过诱导根系氧化胁迫与核心代谢紊乱，显著抑制小白菜生长。植物虽激活了抗氧化防御与异源物质外排机制，但这种适应伴随着碳氮资源分配的权衡，可能降低可食用组织的营养品质。研究首次描绘了小白菜根系响应紫外线过滤剂的蛋白质组图谱，证实了其在农业环境中的植物毒性风险。同时，研究人员也指出了局限性，包括仅评估单一化合物毒性而未考虑真实环境中共存污染物的复合暴露效应，以及未涵盖全生育期及生殖发育阶段的长期影响。