文章題目：Balancing Growth and Defense: Nanoselenium and Melatonin in Tea (Camellia sinensis) Protection against Glufosinate

發(fā)表期刊：ACS Nano

影響因子：15.8

已有研究表明納米硒(Nanoselenium, NSe)和褪黑素(Melatonin, MT)可能通過(guò)調(diào)控除草劑草銨膦(Glufosinate, GLU)，提升茶樹的安全性、品質(zhì)及抗逆能力。然而它們對(duì)茶樹生長(zhǎng)、抗氧化活性及次生代謝途徑的生物機(jī)制尚不明確。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)潘燦平教授研究團(tuán)隊(duì)在ACS Nano期刊發(fā)表了題為“Balancing Growth and Defense: Nanoselenium and Melatonin in Tea (Camellia sinensis) Protection against Glufosinate”的研究文章，該研究利用轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合代謝組學(xué)，證實(shí)了NSe−MT對(duì)嫩葉代謝網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控作用優(yōu)于單一處理，驗(yàn)證了NSe、MT及其復(fù)合物質(zhì)NSe−MT均能有效降低茶樹幼苗體內(nèi)的GLU及其代謝產(chǎn)物，平衡光系統(tǒng)功能，增強(qiáng)抗氧化防御體系，優(yōu)化活性氧清除機(jī)制的功能，為其他非靶標(biāo)作物的GLU解毒機(jī)制提供了新視角。

研究人員通過(guò)檢測(cè)嫩葉中可溶性蛋白、L-茶氨酸、葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素；新梢生物量、嫩葉中L-茶氨酸和谷氨酸脫氫酶活性增幅、可溶性蛋白、光合色素含量，判斷出NSe濃度為2.5 mg/L、NSe(2.5 mg/L)-MT(5 mg/L)組合時(shí)效果最佳。

研究人員對(duì)GLU殘留代謝的標(biāo)志物3-甲基次膦酸丙酸(MPP)、N-乙酰草銨膦(NAG)重點(diǎn)檢測(cè)，研究共設(shè)置了4個(gè)組別，分別是CKG(5 mg/L GLU)、SG(2.5 mg/L NSe+5 mg/L GLU)、MG(5 mg/L MT+5 mg/L GLU)和SMG(2.5 mg/L NSe+5 mg/L MT+5 mg/L GLU)；結(jié)果顯示，所有處理組中的草銨膦濃度均持續(xù)下降（圖1A）；其中，SMG處理組培養(yǎng)液殘留量最高；G處理組茶苗體內(nèi)積累量最大，MPP含量最高；此外MPP的濃度始終高于NAG（圖1B-C）；初步驗(yàn)證外源化學(xué)物質(zhì)可以有效降低了GLU及其代謝產(chǎn)物殘留量（圖1D−F）。

為分析NSe、MT對(duì)GLU作用機(jī)制，研究人員對(duì)葉綠體、線粒體結(jié)構(gòu)分別觀察，結(jié)果顯示，30000倍放大下，G組的葉綠體變圓且類囊體排列紊亂，而CK組和SMG組的類囊體仍保持與葉綠體長(zhǎng)軸平行排列的規(guī)則結(jié)構(gòu)（圖2）；此外，與CK組和SMG組相比，G組的線粒體大小未發(fā)生變化，但嵴出現(xiàn)腫脹；綜上推測(cè)，NSe−MT可能通過(guò)維持GLU脅迫下的細(xì)胞功能和光合能力，從而確保葉片生物量和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)（圖3C）。

對(duì)不同實(shí)驗(yàn)組的表型及生理?yè)p傷進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示，外源刺激劑可以有效緩解GLU脅迫引發(fā)的表型與生理?yè)p傷（圖3K）；相較于對(duì)照G組，SG、MG、SMG組的葉面噴施使單芽生物量、嫩茶葉總生物量、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素、可溶性糖含量均出現(xiàn)不同百分比的提升（圖3B-I）；值得注意的是，類胡蘿卜素與可溶性蛋白含量在各組間無(wú)顯著差異，綜上結(jié)果，實(shí)驗(yàn)組可能通過(guò)參與調(diào)控光合作用，減輕了嫩茶葉片光合系統(tǒng)的破壞，從而提升茶湯甜潤(rùn)感同時(shí)減輕了茶的苦味和澀味(J-K)。

不同組別的氧化應(yīng)激分子物質(zhì)檢測(cè)結(jié)果顯示：相較于G組，SG、MG和SMG處理組中的丙二醛(MDA)、過(guò)氧化氫(H?O?)、茶樹SOD活性、還原型谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(AsA)均出現(xiàn)了不同程度的降低（圖3L-P）；3′,3-二氨基聯(lián)苯胺(DAB)染色顯示，SMG對(duì)H?O?降低效果最顯著；值得注意的是谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPX)活性在G組無(wú)顯著變化，但在SMG組顯著提升23.4%；已知GPX利用GSH實(shí)現(xiàn)H₂O₂解毒，其活性增強(qiáng)表明SMG組可能具有更強(qiáng)的GSH-AsA循環(huán)能力（圖3S-T）。

對(duì)氮同化和氨基酸相關(guān)的主要指標(biāo)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，NSe、MT和NSe−MT能有效緩解GLU脅迫引起的嫩茶葉銨毒性和氮代謝紊亂，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）G組上升而SG、MG、SMG組下降（圖4A）；（2）G組下降但干預(yù)后呈回升趨勢(shì)（圖4B）；（3）G組下降且干預(yù)后持續(xù)走低（圖4C）；（4）脅迫與干預(yù)（MG除外）均呈上升趨勢(shì)（圖4D）；值得注意的是，NSe（55.6%）、MT（55.0%）和NSe-MT（64.7%）處理顯著降低了NH₄⁺積累。這些結(jié)果顯示，刺激劑可能通過(guò)促進(jìn)硝酸鹽還原利用反應(yīng)，從而平衡茶樹氨基酸合成新蛋白、酶等小分子，進(jìn)而維持茶樹ROS清除穩(wěn)態(tài)。

已知茶葉的主要營(yíng)養(yǎng)與藥用價(jià)值源于三大特征性代謝物：L-茶氨酸(L-The)、兒茶素及咖啡因(CAF)，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：L-The受GLU影響顯著，而SG處理對(duì)全株茶苗L-The合成抑制的緩解效果最佳(達(dá)47%)，其次是SMG(12.8%)和MG(8.4%)(圖5A-B)；此外，相較G組，處理組(SG、MG、SMG)中的酚類物質(zhì)，均出現(xiàn)不同程度的增加（圖5D-J），這些結(jié)果可能與提升成茶風(fēng)味強(qiáng)度與抗氧化能力相關(guān)；而CAF檢測(cè)結(jié)果顯示，相較G組，SG、MG、SMG處理使嫩葉、根部均出現(xiàn)不同程度降解，這可能與調(diào)控成茶苦味相關(guān)；

此外CAF、水楊酸(SA)及沒(méi)食子酸是提升茶樹抗病性的潛在關(guān)鍵物質(zhì)，結(jié)果顯示，沒(méi)食子酸響應(yīng)GLU脅迫而增加，但受外源刺激物抑制（圖5K）；而SA則持續(xù)降低，這些結(jié)果表明NSe、MT及其組合可能調(diào)控GLU引發(fā)的未知抗病抗蟲性變化，但還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

對(duì)不同組別的樣本進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組、代謝組學(xué)檢測(cè)。轉(zhuǎn)錄組檢測(cè)結(jié)果顯示，各組樣本呈現(xiàn)明顯的分離（圖6A）；相較于G組，SG組發(fā)現(xiàn)2414個(gè)差異基因；MG組1330個(gè)；SMG組3795個(gè)（圖6B-D），KEGG富集顯示三種刺激物響應(yīng)GLU的調(diào)控通路高度相似，前5位共同通路為MAPK信號(hào)通路-植物、次級(jí)代謝物生物合成及植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，差異通路主要包括α-亞麻酸代謝、淀粉與蔗糖代謝及單萜類生物合成（圖6E−G）。

結(jié)合轉(zhuǎn)錄、代謝數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了茶嫩葉中JA相關(guān)酶活性及植物激素含量變化以及黃酮類化合物與酚酸代謝特征（圖8A−R）；結(jié)合KEGG富集通路與驗(yàn)證數(shù)據(jù)，闡明了NSe、MT及其復(fù)合處理通過(guò)調(diào)控關(guān)鍵代謝通路（JA信號(hào)合成及苯丙烷類代謝）緩解茶嫩葉GLU脅迫的具體作用機(jī)制。

本研究通過(guò)殘留行為分析、生理生化檢測(cè)、組學(xué)篩選及靶向驗(yàn)證等手段，系統(tǒng)闡明了NSe、MT及NSe−MT緩解茶樹幼苗GLU脅迫的作用機(jī)制。

三種激發(fā)劑均可有效降低茶樹幼苗體內(nèi)GLU及其代謝物殘留，促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展。NSe−MT通過(guò)維持茶樹嫩葉葉綠體和線粒體結(jié)構(gòu)完整性，保護(hù)光合作用能力與細(xì)胞正常生理功能，從而緩解GLU脅迫，該防護(hù)機(jī)制為維持茶樹幼苗光合能力并保障其生物量積累提供了依據(jù)，為進(jìn)一步工業(yè)化提供茶樹產(chǎn)能提供理論基礎(chǔ)。