高、低累积品种菜心对环丙沙星的耐受与代谢差异研究

摘要

大量的抗生素随畜禽粪便或灌溉水进入农田土壤中，并通过农作物吸收累积进入食物链，从而引发人类健康风险。筛选和培育对污染物具有低吸收累积特性的作物品种是保障农产品质量安全的重要策略。本课题组前期已筛选出对喹诺酮类抗生素环丙沙星（Ciprofloxacin，CIP）具有高、低累积特性的菜心（Brassica parachinensis L.）品种，分别是油青四九菜心和油绿粗苔菜心，但对其高、低累积差异的形成机制尚未明确。因此，本文通过水培实验，研究上述两种菜心在1.0mg/L CIP污染胁迫下对CIP的耐受和代谢差异，以此揭示不同品种菜心高、低累积CIP特性形成的生物学机制。主要研究结果如下： （1）在CIP污染处理下，高累积菜心地上部CIP累积量显著高于（p＜0.05）低累积菜心，而两者根部CIP累积量差异不显著。与无污染对照组相比，处理组两种菜心的地上部和根部生物量均显著下降，但高累积菜心的地上部和根部生物量均显著高于低累积菜心，说明高累积菜心能够累积更多的CIP，而且具有较高的抗CIP胁迫能力。 （2）采用CIP耐受性实验，以含CIP浓度梯度递增的营养液培养高、低累积品种菜心，经剂量-效应曲线拟合，结果表明高累积菜心比低累积菜心具有更宽的CIP耐受范围，并且其EC50约为低累积菜心的2倍，说明高累积菜心较低累积菜心具有更高的CIP耐受能力。 （3）在CIP污染胁迫处理下，高、低累积品种菜心的叶肉和根尖细胞超微结构变化均出现明显差异。与无污染对照相比，低累积菜心叶呈现出更多的毒害特征，如叶片素黄化、叶绿素含量显著降低、叶肉细胞叶绿体肿胀或破裂、线粒体数量减小等，而高累积菜心叶变化不明显，叶肉细胞超微结构基本保持完整。同样，低累积菜心根系呈弱小发黑的毒害症状，根尖细胞线粒体结构受损、内质网破裂，甚至出现明显的质壁分离现象；而高累积菜心根系形态基本正常，根尖细胞区隔化明显，线粒体增多。可见，与低累积菜心相比，高累积菜心的叶和根组织均表现出较高耐受CIP毒害能力。 （4）通过对比分析两种菜心在CIP污染下根系形态和解剖结构变化，发现高累积菜心根系形态参数与无污染对照组相比变化不显著（p＞0.05），但根系内皮层细胞皱缩，中柱面积增加，且柱内导管直径和导管的数量显著增加；而低累积菜心根系形态参数包括根长、表面积和根尖数显著减少（p＜0.05），根结构变化参数低于高累积菜心。可见，高累积菜心根系能够在CIP胁迫下维持正常生长，有利于持续吸收累积CIP，另外其导管直径和数量的增加，更有利于其向地上部转运CIP；而低累积菜心根系形态明显受损，对CIP的吸收能力亦随之降低，且根系结构变化更利于CIP滞留于根中，减少CIP向上转运，这说明低累积菜心可能通过改变根系形态和结构来减少对CIP的吸收、转运和累积，以此降低遭受CIP毒害。 （5）采用UPLC-ESI-MS/MS对两种菜心植株内CIP代谢物进行检测，发现菜心能够代谢CIP，并生成三种主要代谢产物F-4，F-6和F-9，但F-4仅在高累积菜心中可检测到。结合一级动力学模型进行模拟，结果显示高累积菜心地上部和根系代谢CIP、F-6和F-9的半衰期均明显短于低累积菜心，表明高累积菜心植株具有更高的CIP代谢效率。因此，高累积菜心对CIP具有更强的代谢能力，这可能是高累积菜心具有较高耐受性的内在机制，从而有利于其吸收累积更多的CIP。可见，较高的CIP代谢能力是保证高累积菜心具有较高耐受性的重要条件，也是其高累积CIP特性形成的重要因素。

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