張?jiān)?，劉瀟威，張艷偉*，張景然，劉冰潔

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.上海SCIEX分析儀器貿(mào)易有限公司，上海 200335）

全氟辛烷磺酸（Perfluorooctane sulfonate，PFOS）作為一種持久性有機(jī)污染物，因其具有良好的穩(wěn)定性、疏水性和疏油性而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。PFOS不易降解，可隨環(huán)境多介質(zhì)遷移，并通過(guò)食物鏈在生物組織和人體內(nèi)蓄積。盡管PFOS已于2009年被列入《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》并被禁止使用，但由于監(jiān)管力度不夠和政策滯后，PFOS的污染依然普遍存在。到目前為止，PFOS在全球各地的環(huán)境、動(dòng)物和人體內(nèi)已均被檢出，實(shí)驗(yàn)證明PFOS具有免疫毒性、生殖毒性、神經(jīng)毒性等多種毒性，然而大部分研究集中在動(dòng)物體內(nèi)，PFOS對(duì)植物體的生態(tài)毒性研究較少。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了部分有關(guān)PFOS植物體毒性的研究。多數(shù)研究集中在形態(tài)學(xué)的表型變化、生理生化指標(biāo)的失調(diào)和氧化應(yīng)激反應(yīng)酶的活性變化等，而對(duì)植物體是否存在除氧化應(yīng)激效應(yīng)之外的毒性依然不清，并且不同濃度造成植物體毒性效應(yīng)的差異還尚不清晰。目前已有研究發(fā)現(xiàn)，在代謝水平上低濃度PFOS能夠?qū)ι藸I(yíng)養(yǎng)品質(zhì)造成影響，還能夠破壞關(guān)鍵的能量代謝途徑。植物中三羧酸循環(huán)、乙醛酸和二羧酸代謝及丙酮酸代謝可以被PFOS和全氟辛酸（Perfluoro octanoic acid，PFOA）顯著影響，PFOS還能干擾亞油酸的代謝。低濃度PFOS可以改變生菜根系中酪氨酸代謝、嘌呤代謝、異喹啉生物堿生物合成和萜類(lèi)主鏈生物合成。PFOS的暴露對(duì)植物中礦物質(zhì)的含量也存在一定影響，除Zn之外，Na、Mg、Cu、Fe、Ca、Mo含量降低1.8%～47.8%。此外，PFOS還可以影響植物的基因表達(dá)，參與酰胺和肽的生物合成，以及肽、細(xì)胞酰胺、糖代謝的基因表達(dá)上調(diào)和細(xì)胞壁合成、碳固定、光合作用的基因表達(dá)下調(diào)。然而不同濃度對(duì)植物代謝損傷存在差異的研究卻比較匱乏。利用代謝組學(xué)研究不同濃度PFOS對(duì)植物體代謝水平上的毒性效應(yīng)可以獲得更全面的毒性效應(yīng)信息，有助于完善我國(guó)對(duì)PFOS的生產(chǎn)和使用法案等政策的制定。

為探究PFOS在植物體代謝水平上的毒性效應(yīng)，降低植物體種間差異帶來(lái)的不同毒性效應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)擬選取具有代表性的模式生物擬南芥為研究對(duì)象；為了更全面地反映PFOS對(duì)植物體的多角度、多層面的毒性效應(yīng)，選取高通量非靶向代謝組學(xué)技術(shù)探究上千種內(nèi)源代謝物的變化表征對(duì)植物的毒性效應(yīng)；為了避免微生物和環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，采用室內(nèi)控制無(wú)菌實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得可靠的單一因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果；為探究不同濃度水平的毒性效應(yīng)差異，選取了5種不同暴露水平。針對(duì)暴露于5種PFOS濃度30 d后的擬南芥葉片樣品，分析其內(nèi)源代謝物的變化，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，探究其代謝毒性效應(yīng)及機(jī)制，以為PFOS的生態(tài)毒性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑與材料

儀器：高效液相色譜四極桿飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜儀（TripleTOF6600，美國(guó)SCIEX公司），渦旋混合器（美國(guó)賽默飛公司），高速冷凍離心機(jī)（H1850，中國(guó)湘儀公司），真空冷凍干燥機(jī)（Alpha 1-4，德國(guó)Christ公司），超純水機(jī)（美國(guó)密理博公司），氮吹儀（FV-64，中國(guó)得泰儀器公司），多管漩渦振蕩器（LPD2500，中國(guó)萊普特公司），多功能破碎儀（Yube Mill CS025，德國(guó)IKA公司），立式壓力蒸汽滅菌鍋（YXQ-LS，中國(guó)博訊公司），智能人工氣候箱（RTOP-1000D，中國(guó)錢(qián)江公司）。

試劑與材料：甲醇、乙腈和異丙醇購(gòu)于美國(guó)Fisher Chemical公司，甲基叔丁基醚購(gòu)于美國(guó)Avantor公司，甲酸購(gòu)于中國(guó)阿拉丁公司，甲酸銨購(gòu)于中國(guó)Macklin公司，氨水購(gòu)于比利時(shí)Acros Organics公司，1/2MS培養(yǎng)基（Cat#M8525）購(gòu)于北京索萊寶公司，PFOS標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)購(gòu)于德國(guó)Alorich公司，擬南芥種子（哥倫比亞野生型）購(gòu)于北京華越生物。

1.2 擬南芥的無(wú)菌栽培暴露實(shí)驗(yàn)

近年來(lái)對(duì)工業(yè)園區(qū)附近的地表水檢測(cè)結(jié)果顯示，全氟化合物的最高檢出濃度可達(dá)1 mg·L以上。2016年LIU等對(duì)我國(guó)山東東豬龍河和小清河流域附近地表水進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)全氟烷酸含量高達(dá)1.86 mg·L；2018年WANG等對(duì)該附近區(qū)域地表水監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)PFOA含量最高可達(dá)1.14 mg·L。而在對(duì)美國(guó)河流沉積物的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，特斯拉河與拉斯維加斯水灣處的沉積物中全氟化合物含量分別可達(dá)0.272 9 mg·kg和0.345 7 mg·kg。因此本研究選擇0.1 mg·L和1 mg·L作為低濃度暴露組研究PFOS對(duì)擬南芥的代謝損傷機(jī)制。目前關(guān)于PFOS生態(tài)毒性的研究主要集中在低水平暴露，而高、低濃度PFOS對(duì)植物的毒性作用存在較大差異。LI等發(fā)現(xiàn)低濃度PFOS可以促進(jìn)鳳眼蓮和風(fēng)車(chē)草兩種植物葉綠素的合成，而高濃度PFOS抑制葉綠素合成。為了全面探究不同濃度PFOS的生態(tài)毒性，本研究設(shè)置了高濃度暴露組（5、10 mg·L和20 mg·L）和低濃度暴露組（0.1 mg·L和1 mg·L）研究PFOS對(duì)擬南芥的代謝損傷機(jī)制。

本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)添加不同濃度PFOS的染毒組和一個(gè)添加甲醇溶液的對(duì)照組（PFOS的溶劑），每組8個(gè)重復(fù)。在制備培養(yǎng)基前需要先分別配制100.0、1 000.0、5 000.0、10 000.0、20 000.0 mg·L的PFOS儲(chǔ)備液用于擬南芥染毒實(shí)驗(yàn)。

稱(chēng)取31.56 g培養(yǎng)基粉末，加入800 mL超純水和0.8 mL不同濃度PFOS溶液（對(duì)照組用甲醇溶液代替），擬南芥培養(yǎng)杯中PFOS濃度分別達(dá)到0.1、1.0、5.0、10.0 mg·L和20.0 mg·L。將添加PFOS后的混合溶液放入微波爐中加熱至培養(yǎng)基粉末溶解，溶液透明呈淡黃色，調(diào)節(jié)pH至5.7±0.1，使用量筒均勻分裝8杯，并用植物封口膜密封。放入高壓蒸汽滅菌鍋116℃滅菌30 min。

擬南芥種子用50%的乙醇溶液消毒3 min，同時(shí)加入0.5%Triton劑進(jìn)行活化，無(wú)菌水沖洗3次。將滅菌后的擬南芥種子倒在無(wú)菌濾紙上，用無(wú)菌金屬接種棒轉(zhuǎn)移到1/2 MS培養(yǎng)基上，每個(gè)培養(yǎng)杯接種15粒，用無(wú)菌植物封口膜密封植物培養(yǎng)杯。將培養(yǎng)杯轉(zhuǎn)移到植物培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)條件為白天25℃，夜晚22℃，光照周期為16∶8（光暗比），濕度為50%。

1.3 代謝組學(xué)前處理方法

采集培養(yǎng)30 d后的擬南芥葉片，將其先置于液氮中15 s，再放入超低溫冰箱-70℃過(guò)夜。冷凍后的擬南芥葉片轉(zhuǎn)移至IKA破碎機(jī)中磨成粉末，最后放入冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行冷凍干燥。

稱(chēng)取20 mg凍干的擬南芥葉片粉末放入1.5 mL EP管中，依次添加200 μL甲醇、540 μL甲基叔丁基醚和360 μL超純水并渦旋30 s，然后放入多管渦旋振蕩器振蕩20 min，并在室溫下靜置10 min，用來(lái)固液分離。得到的下層淡黃色液體轉(zhuǎn)移至新的EP管中，氮吹30 min，加入100μL復(fù)溶劑復(fù)溶（甲醇/水=1∶4，/）。再將復(fù)溶后的溶液放入高速臺(tái)式冷凍離心機(jī)，4℃15 000 r·min離心20 min，將上層溶液轉(zhuǎn)移到樣品瓶中進(jìn)行代謝組學(xué)分析。

1.4 代謝組學(xué)儀器分析方法

色譜條件：色譜柱為美國(guó)Waters ACQUITY UPLCHSS T3色譜柱（2.1 mm×100 mm，1.8μm），柱溫50℃。正離子模式下流動(dòng)相A為添加0.1%甲酸和5 mmol·L甲酸銨的超純水，流動(dòng)相B為添加0.1%甲酸的乙腈；負(fù)離子模式下流動(dòng)相A為添加5 mmol·L甲酸銨的超純水（氨水調(diào)節(jié)pH為7.5），流動(dòng)相B為乙腈。線(xiàn)性洗脫以0.30 mL·min流速按照以下程序進(jìn)行洗脫（時(shí)間，B%）：（0 min，3%），（1.5 min，3%），（11.0 min，80%），（14.0 min，97%），（18.0 min，97%），（18.1 min，3%）并保持3.9 min。進(jìn)樣器溫度為4℃，進(jìn)樣量為2μL。

質(zhì)譜條件：以ESI和ESI兩種模式進(jìn)行掃描。電噴霧電離（ESI）參數(shù)：霧化氣（GS1），50 psi（1 psi=6 895 Pa）；輔助氣（GS2），50 psi；氣簾氣（CUR），35 psi；離子源（IS），5 500V/-4 500 V；TIS探針溫度，500℃；去簇電壓（DP），80 V/-80 V；質(zhì)譜掃描范圍為70～1 200 amu；MS分析的碰撞能為15、30 V和45 V。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

使用SCIEX自帶的分析軟件進(jìn)行分析。將HPLC-QTOF的原始數(shù)據(jù)和原始質(zhì)譜信息使用SCIEX OS軟件處理峰，提取峰面積并鑒定。根據(jù)前期構(gòu)建的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中的二級(jí)離子碎片與擬南芥內(nèi)源代謝物信息進(jìn)行定性分析。對(duì)于代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有MS的代謝物，通過(guò)與網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫(kù)（METLIN、Mass Bank和HMBD）匹配，將匹配分?jǐn)?shù)＞80%認(rèn)定為擬南芥內(nèi)源代謝物。將識(shí)別出的代謝物峰面積導(dǎo)入SIMCA-P軟件（Umetrics，瑞典）和MetaboAnalyst 5.0（http：//www.metaboanalyst.ca）進(jìn)行檢驗(yàn)、主成分分析（PCA）、偏最小二乘回歸分析（PLS-DA）和正交偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）。結(jié)合變量投影重要性（）和值篩選差異代謝物，值＞1.0且＜0.05時(shí)認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異（值使用FDR校正），是影響擬南芥代謝的差異代謝物。差異代謝物通過(guò)KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)（www.genome.jp/KEGG/ligand.html）和MetaboAnalyst 5.0（擬南芥途徑）進(jìn)行代謝路徑分析，將＜0.05的代謝路徑列為差異代謝路徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 擬南芥葉片代謝物圖譜分析

通過(guò)HPLC-QTOF檢測(cè)和本地內(nèi)源代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)的定性分析，共鑒定出220個(gè)內(nèi)源代謝物。通過(guò)對(duì)全部代謝物的峰面積進(jìn)行PCA分析，獲得了對(duì)照組和染毒組之間的總體可視化差異。由圖1可知，PC1和PC2分別解釋了代謝物總體變化的45.7%和12.3%。通過(guò)PCA分析發(fā)現(xiàn)，高濃度暴露組和低濃度暴露組組間呈現(xiàn)出顯著的分離趨勢(shì)，可見(jiàn)PFOS高、低暴露條件對(duì)擬南芥代謝產(chǎn)生的影響具有明顯差異。高低濃度暴露組均呈現(xiàn)出隨著PFOS濃度的升高，對(duì)擬南芥代謝的影響增大的趨勢(shì)，表明高、低暴露組內(nèi)均具有明顯的正向劑量效應(yīng)關(guān)系。LI等研究發(fā)現(xiàn)，在PCA得分圖中，低濃度PFOS暴露不能與對(duì)照組分開(kāi)。而本研究中所有暴露組只有最低暴露組（0.1 mg·L）沒(méi)有與對(duì)照組呈現(xiàn)明顯的分離趨勢(shì)。二者相同的PCA分析結(jié)果表明，低濃度PFOS暴露組對(duì)擬南芥代謝的影響不顯著。

圖1 擬南芥葉片對(duì)照組與PFOS暴露組PCA得分圖Figure 1 PCA score plot according to the metabolic characteristics of Arabidopsis thaliana leaves exposed to PFOS at different concentrations

2.2 差異代謝物分析

為了更好地篩選出PFOS影響擬南芥的差異代謝物，將各染毒組與對(duì)照組進(jìn)行比較，采用代謝組學(xué)中常用的方法，值＞1.0且＜0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異。由表1可以看出，差異代謝物與對(duì)照組相比，在PFOS暴露濃度為0.1 mg·L的擬南芥葉片中篩選出11種差異代謝物；PFOS暴露濃度為1.0 mg·L的擬南芥葉片中篩選出24種差異代謝物；PFOS暴露濃度為5.0 mg·L的擬南芥葉片中篩選出23種差異代謝物；PFOS暴露濃度為10.0 mg·L的擬南芥葉片中篩選出26種差異代謝物；PFOS暴露濃度為20.0 mg·L的擬南芥葉片中篩選出29種差異代謝物。從差異代謝物的數(shù)量來(lái)看，低濃度暴露組和高濃度暴露組均呈現(xiàn)出正向劑量效應(yīng)關(guān)系。

表1 不同PFOS暴露濃度組在擬南芥葉片中的差異代謝物Table 1 Biomarkers in Arabidopsis thaliana leaves of experimental groups with different PFOS exposure concentrations

2.3 代謝通路分析

通過(guò)對(duì)擬南芥代謝通路的分析可知（圖2），低濃度水平（0.1 mg·L和1.0 mg·L）主要參與的是氧化應(yīng)激反應(yīng)中的苯丙烷代謝和能量代謝中的糖類(lèi)代謝，其原因可能是擬南芥為降解PFOS而提高了自身的氧化應(yīng)激能力，同時(shí)消耗大量能量進(jìn)一步增強(qiáng)其降解PFOS的能力。而當(dāng)PFOS濃度達(dá)到5.0 mg·L水平時(shí)，擬南芥的氨基酸代謝受到損傷，濃度達(dá)到10.0 mg·L水平時(shí)，除了氨基酸代謝受到損傷外，還增加了8種受損傷的代謝通路，包括不飽和脂肪酸的生物合成、氨酰tRNA生物合成、苯丙烷生物合成、角質(zhì)、木栓堿和蠟質(zhì)的生物合成、脂肪酸生物合成、芥子油甘生物合成和α-亞麻酸代謝。當(dāng)PFOS濃度達(dá)到20 mg·L水平時(shí)，硫代謝通路也受到PFOS損傷。由此可以看出，低濃度水平時(shí)為抗脅迫防御階段，擬南芥為提高自身防御能力啟動(dòng)了能量代謝中糖代謝和氧化應(yīng)激反應(yīng)中苯丙烷代謝，從而降低PFOS的毒性。高濃度水平時(shí)為自身防御與代謝損傷階段，擬南芥無(wú)法降解PFOS，擬南芥在自身防御的同時(shí)，PFOS對(duì)擬南芥多種代謝通路也造成了損傷，且隨其濃度的升高代謝通路損傷的數(shù)量和程度也在增加。由此可以解釋PCA圖中低濃度和高濃度水平的暴露組產(chǎn)生顯著分離的現(xiàn)象。

圖2 不同濃度PFOS暴露對(duì)擬南芥葉片代謝通路的影響Figure 2 Effects of different concentrations PFOS exposure on metabolic pathway in Arabidopsis thaliana leaves

2.4 初級(jí)代謝分析

氨基酸作為植物中的重要物質(zhì)，參與了許多細(xì)胞反應(yīng)并影響著植物的生理過(guò)程，如植物生長(zhǎng)發(fā)育、能量代謝、氧化還原能力的產(chǎn)生以及抵抗逆境脅迫。研究表明，在毒死蜱對(duì)水稻的暴露實(shí)驗(yàn)中，隨著毒死蜱暴露水平的升高，水稻中游離氨基酸水平增加（29.02%），與氨基酸有關(guān)的酶的基因表達(dá)上調(diào)。在PFOS暴露實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)PFOS暴露濃度超過(guò)5.0 mg·L時(shí)，氨基酸代謝開(kāi)始被干擾，纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成被顯著影響，其中亮氨酸和異亮氨酸的上調(diào)程度剛超過(guò)1倍，而纈氨酸尚未受到影響。有研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中異亮氨酸會(huì)因甘露醇、聚乙二醇和除草劑的處理而增加。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)暴露于PFOS和PFOA的秀麗線(xiàn)蟲(chóng)中的纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸生物合成也受到了顯著影響。PFOS暴露濃度為10、20 mg·L時(shí)，亮氨酸和異亮氨酸上調(diào)倍數(shù)上升至1.6倍，擬南芥葉片中脯氨酸也受到了影響。當(dāng)植物遭受脅迫時(shí)，脯氨酸通常會(huì)大量積累，這可能是因?yàn)楦彼嵊兄诜€(wěn)定植物的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、清除自由基、調(diào)節(jié)植物細(xì)胞功能，從而觸發(fā)基因表達(dá)。此外，脯氨酸代謝也與戊糖磷酸、三羧酸循環(huán)和嘌呤合成等植物代謝途徑密切相關(guān)。由此可見(jiàn)，隨著PFOS暴露濃度的升高，擬南芥葉片中被影響的氨基酸種類(lèi)和程度均在增加。

續(xù)表1不同PFOS暴露濃度實(shí)驗(yàn)組在擬南芥葉片中的差異代謝物Continued table 1 Biomarkers in Arabidopsis thaliana leaves of experimental groups with different PFOS exposure concentrations

續(xù)表1不同PFOS暴露濃度實(shí)驗(yàn)組在擬南芥葉片中的差異代謝物Continued table 1 Biomarkers in Arabidopsis thaliana leaves of experimental groups with different PFOS exposure concentrations

植物通過(guò)調(diào)節(jié)糖的代謝和運(yùn)輸來(lái)改善由非生物脅迫帶來(lái) 的 負(fù)面影響。LI等發(fā)現(xiàn)在PFOA和PFOS的混合污染下，生菜中多種碳水化合物水平發(fā)生變化，這可能是生菜維持體內(nèi)細(xì)胞正常活動(dòng)并增加耐受性的表現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)在PFOS的暴露下，半乳糖代謝及淀粉和蔗糖代謝是主要被影響的糖代謝。非生物脅迫下，半乳糖代謝極易受到影響，這可能與半乳糖代謝可以促進(jìn)植物中某些強(qiáng)抗氧化劑的產(chǎn)生，提高植物非生物脅迫耐受性有關(guān)。同樣地，淀粉和蔗糖代謝通過(guò)生成一系列重要的糖，也在植物的脅迫反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。高水平的蔗糖積累可以幫助植物

維持滲透平衡、穩(wěn)定膜系統(tǒng)。蔗糖代謝過(guò)程中產(chǎn)生的糖，在非生物脅迫中充當(dāng)著信號(hào)分子的作用，調(diào)節(jié)植物的基因表達(dá)，用于與植物激素、氧化和防御信號(hào)的協(xié)同。PFOS暴露濃度為1 mg·L時(shí)影響糖類(lèi)的數(shù)量最多，對(duì)擬南芥葉片的糖代謝影響最大。隨著PFOS暴露濃度的增加，對(duì)糖類(lèi)的影響降低，這可能是由于低濃度時(shí)抵抗PFOS脅迫過(guò)程向高濃度PFOS對(duì)擬南芥產(chǎn)生代謝損傷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的，同時(shí)代謝損傷破壞了糖代謝激發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)的能力。

B族維生素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兪窃S多基礎(chǔ)代謝輔助因子的前體，但其在非生物脅迫下容易被破壞。PFOS濃度為0.1 mg·L時(shí)，泛酸（維生素B5）的含量增加了20%。泛酸最重要的代謝功能是合成輔酶A，而輔酶A是包括脂質(zhì)代謝、類(lèi)固醇合成、三羧酸循環(huán)和氨基酸代謝在內(nèi)的100多個(gè)合成和降解反應(yīng)中必不可少的輔助因子。一些將泛酸轉(zhuǎn)化為輔酶A的基因已被證明能夠提高植物在非生物脅迫下的抗逆性。較低濃度的PFOS可能促進(jìn)了泛酸的增加與轉(zhuǎn)化，從而幫助擬南芥抵抗脅迫。此外，高濃度PFOS暴露使得煙酸（維生素B3）含量大幅增加。煙酸可增加植物對(duì)重金屬的耐受性，可能是因?yàn)榉巧锩{迫下煙酸可幫助植物儲(chǔ)存某些酶。

當(dāng)PFOS暴露濃度超過(guò)10 mg·L時(shí)，被影響的脂質(zhì)明顯變多，主要為脂肪酸、鞘脂和脂肪酰。大量的動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)證明PFOS可以干擾動(dòng)物的脂質(zhì)代謝，使棕櫚酸（16∶0）、棕櫚油酸（16∶1）、油酸（18∶1）、亞油酸（18∶2）、ɑ-亞麻酸（18∶3）等擬南芥葉片中的主要脂肪酸含量發(fā)生顯著升高。油酸（18∶1）水平對(duì)擬南芥的防御反應(yīng)至關(guān)重要，它可以與茉莉酸協(xié)同反應(yīng)，提高植物的耐受性。亞油酸（18∶2）和ɑ-亞麻酸（18∶3）是植物膜脂中的主要多不飽和脂肪酸，在重金屬毒化的植物中，由于活性氧（ROS）的積累和酶活性的改變，亞油酸（18∶2）和ɑ-亞麻酸（18∶3）發(fā)生氧化作用，從而破壞了膜的完整性。但是亞油酸（18∶2）和ɑ-亞麻酸（18∶3）水平的增加，可以減緩細(xì)胞膜的破壞作用。隨著PFOS暴露濃度的升高，脂質(zhì)受影響的種類(lèi)和程度顯著升高，這可能與保護(hù)擬南芥的細(xì)胞膜可增加植物耐受性有關(guān)。

PFOS暴露的擬南芥中核苷酸有關(guān)物質(zhì)明顯受到影響，分別為腺苷和腺苷酸基琥珀酸。據(jù)報(bào)道，PFOS可干擾DNA代謝的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定并造成DNA損傷。腺苷和腺苷酸基琥珀酸均參與了嘌呤代謝。脲類(lèi)化合物是嘌呤分解代謝產(chǎn)生的含氮化合物，有助于植物的氮循環(huán)并調(diào)節(jié)非生物脅迫反應(yīng)，某些高濃度的脲類(lèi)化合物可通過(guò)減少氧化損傷提高非生物脅迫耐受性。

2.5 次級(jí)代謝分析

植物激素可以引起信號(hào)分子間的協(xié)同和拮抗作用，觸發(fā)對(duì)非生物脅迫的有效防御反應(yīng)。被PFOS暴露影響的植物激素均為與細(xì)胞分裂素有關(guān)的代謝物。細(xì)胞分裂素在植物抗逆中的作用機(jī)制，除了調(diào)控對(duì)脅迫有關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，還可能是其與脅迫信號(hào)之間發(fā)生了復(fù)雜的相互作用。ZWACK等發(fā)現(xiàn)隨著脅迫反應(yīng)的增強(qiáng)，細(xì)胞分裂素水平呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)中PFOS對(duì)細(xì)胞分裂素有關(guān)代謝物的影響，也呈現(xiàn)同樣的變化趨勢(shì)。

苯丙素類(lèi)代謝物是植物抗氧化反應(yīng)中常見(jiàn)的多酚類(lèi)物質(zhì)，殺菌劑戊唑醇的暴露使生菜中苯丙素類(lèi)代謝物發(fā)生顯著變化。隨著PFOS暴露濃度的升高，擬南芥葉片中苯丙素類(lèi)代謝物水平上調(diào)。在非生物脅迫的條件下，苯丙烷代謝被激活，積累大量的酚類(lèi)化合物清除有害的ROS。擬南芥中被PFOS暴露影響的苯丙素類(lèi)代謝物主要為木質(zhì)素前體（Monolignols）。非生物脅迫產(chǎn)生的ROS，可能與木質(zhì)素反應(yīng)生成信號(hào)分子，引發(fā)植物防御反應(yīng)。此外，木質(zhì)素還可以作為抗氧化劑清除ROS，并限制ROS的產(chǎn)生。木質(zhì)化程度的增加有助于改善植物的機(jī)械支撐以及水分運(yùn)輸，加強(qiáng)細(xì)胞壁適應(yīng)植物防御機(jī)制。隨著PFOS暴露濃度的增加，擬南芥中木質(zhì)素前體代謝物水平上升，這與CABANé等提出的響應(yīng)非生物脅迫的木質(zhì)素前體物增加理論一致。

擬南芥中山奈酚和槲皮素及其衍生物是主要受到PFOS影響的黃酮類(lèi)代謝物。0.1 mg·L的低濃度水平時(shí)，黃酮類(lèi)代謝物并未受到PFOS的干擾，而當(dāng)PFOS暴露濃度高于1 mg·L時(shí)黃酮類(lèi)化合物呈現(xiàn)明顯的下調(diào)趨勢(shì)，可能是由于ROS清除過(guò)程消耗了大量的黃酮類(lèi)化合物，而當(dāng)PFOS濃度達(dá)到最高濃度20 mg·L時(shí)，黃酮類(lèi)化合物卻呈現(xiàn)明顯的上調(diào)現(xiàn)象，可能是由于高濃度PFOS對(duì)擬南芥造成損傷導(dǎo)致ROS產(chǎn)生過(guò)少或者不產(chǎn)生，引起黃酮類(lèi)化合物消耗量小于產(chǎn)生量。類(lèi)黃酮的抗氧化特性源自結(jié)構(gòu)中含有OH基團(tuán)，這使得類(lèi)黃酮成為有效的ROS清除劑，抑制脅迫反應(yīng)產(chǎn)生的ROS聚集。此外，在重金屬毒化的擬南芥中，槲皮素可以改善植物脅迫反應(yīng)，增加擬南芥對(duì)重金屬的耐受性。

在非生物脅迫下，植物中吲哚類(lèi)代謝物合成途徑受到影響。PFOS暴露濃度大于5 mg·L時(shí)，擬南芥中吲哚類(lèi)代謝物水平降低。擬南芥中富含吲哚和吲哚衍生物，部分為色氨酸衍生物，其存在于根和葉的可溶性部分或細(xì)胞壁結(jié)合部分或根分泌物中，在十字花科植物的防御體系中起著重要作用。此外，作為擬南芥特有的吲哚硫化合物，camalexin在PFOS暴露下也呈現(xiàn)相同趨勢(shì)?？梢?jiàn)PFOS的暴露對(duì)吲哚類(lèi)代謝造成了明顯的損傷效應(yīng)。

芥子油苷被認(rèn)為是擬南芥最具特征的次生代謝產(chǎn)物。PFOS暴露濃度為1 mg·L時(shí)，擬南芥中被影響的芥子油苷最多，并且呈現(xiàn)顯著的上調(diào)趨勢(shì)。而當(dāng)濃度高于1 mg·L時(shí)，芥子油苷并未呈現(xiàn)明顯的被干擾現(xiàn)象。芥子油苷的信號(hào)機(jī)制可以作為信號(hào)分子，與植物脅迫反應(yīng)相互協(xié)同。當(dāng)PFOS暴露濃度大于10 mg·L時(shí)，具有信號(hào)分子功能的糖脂修飾復(fù)合物（Arabidopsides A、B和C）水平發(fā)生了明顯改變。可見(jiàn)PFOS暴露條件下信號(hào)分子的代謝行為非常復(fù)雜，需要進(jìn)一步探究其機(jī)制。

3 結(jié)論

（1）低濃度PFOS暴露時(shí)，擬南芥為提高自身防御能力啟動(dòng)了能量代謝中糖代謝和氧化應(yīng)激反應(yīng)中苯丙烷代謝來(lái)降低其毒性。高濃度暴露時(shí)，擬南芥啟動(dòng)了更多自身防御代謝通路，同時(shí)對(duì)氨基酸、糖類(lèi)、植物激素、維生素和核酸等初級(jí)代謝和植物激素、苯丙素、類(lèi)黃酮、吲哚類(lèi)和芥子油苷等次級(jí)代謝造成一定程度的損傷效應(yīng)。

（2）PFOS高濃度暴露與低濃度暴露對(duì)擬南芥的代謝效應(yīng)存在較大差異，為后期全氟化合物的毒性效應(yīng)研究提供了理論依據(jù)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)分子的傳導(dǎo)和干擾可以作為后期研究的重點(diǎn)內(nèi)容。