摘要
微塑料（Microplastics，MPs）作为一种新型环境污染物，在近几年受到了极大的关注，其主要来源于各种途径中塑料的降解。许多研究表明农田土壤环境中MPs污染比海洋环境中更加严重。目前，关于MPs污染研究大多集中在海洋生物和藻类中，而MPs对农田植物的生态影响研究有限，且影响机制仍然不清楚。 本文研究了不同粒径PS（5、1、0.5和0.1μm）在10mg·kg-1浓度、不同类型MPs（PVC、PE和PS）在低浓度和高浓度（0.05和0.5g·kg-1）下对黄瓜（Cucumis sativus L.）幼苗生理生化特性的影响，并通过转录组和代谢组学分析，探索MPs对黄瓜幼苗生理生化特性的影响机制，为MPs对农田植物的生长影响提供新见解。 主要研究结果如下： 1.不同粒径PS在水培条件下对黄瓜幼苗生理生化特性的影响：PS会促进黄瓜幼苗的生长（株高、地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重以及地下部干重）。5、1和0.5μm PS显著降低了黄瓜叶片的叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）含量和类胡萝卜素含量。黄瓜叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）均显著下降，而胞间CO2浓度（Ci）显著上升或不变，说明PS对黄瓜光合作用的抑制作用为非气孔限制，且粒径越大抑制越明显。叶绿体超微结构也发生很大程度的变化，5μm处理的叶肉细胞淀粉粒变大，1μm和0.5μm开始叶肉细胞内陷，0.1μm时内含物集中在液泡中央。PS处理黄瓜叶片的PSII最大光化学效率（Fv/Fm）和光合性能指数（PIabs）均有一定程度的降低。5μm PS处理的黄瓜幼苗质膜相对透性增大，丙二醛（MDA）含量增加，CAT酶活性升高，而POD酶活性下降。另外，PS处理均显著降低了黄瓜叶片的脯氨酸（Pro）含量，而增加了黄瓜叶片可溶性糖含量。PS处理也在不同程度上降低了黄瓜叶片的矿质元素含量。 2.不同种类MPs在土培条件下对黄瓜幼苗生理生化特性的影响：PVC、PE和PS在低浓度（0.05g·kg-1）和高浓度（0.5g·kg-1）处理下，均显著降低了黄瓜植株的地下鲜重和地下干重。PVC和PS在2种浓度下均能增加黄瓜叶片的Chl a、Chl b和类胡萝卜素含量，而PE只在高浓度时增加Chl b和类胡萝卜素含量。高浓度MPs处理下，PVC和PS处理的Gs和Tr无显著变化，Ci值升高或不变，但WUE显著降低，同时Pn也显著降低，说明高浓度PVC与PS的Pn降低也与黄瓜植株的水分利用效率有关。低浓度时PVC、PE和PS均会提高黄瓜叶片的最大荧光产量（Fm）和Fv/Fm值，而在高浓度时PE和PS会降低黄瓜叶片的PIabs值，PVC则对叶绿素荧光参数无显著影响。低浓度时MPs均会降低黄瓜叶片的MDA含量、SOD酶活性，而提高了CAT酶活性；高浓度时PVC和PS处理的POD酶和APX酶活性降低，PVC处理的CAT酶活性升高，Pro含量也增加。低浓度时MPs均能增加黄瓜叶片的K、Na、Fe和Zn含量，而降低了Ca和Mg含量；高浓度时MPs仅增加了Zn含量。 3.通过转录组分析，PS对黄瓜幼苗生理生化特性的影响与苯丙烷生物合成途径、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、信号转导途径以及植物病原互作密切相关。苯丙烷生物合成通过调控木质素合成影响细胞壁的形态结构。丁酸代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢、丙酮酸代谢以及TCA循环中起关键作用的酶的基因总体下调，抑制了黄瓜叶片光合作用。蛋白激酶（MAPK）信号转导与植物激素信号转导以及植物病原互作关键基因下调影响了黄瓜植株抵御非生物胁迫能力。通过代谢组学分析，DEMs富集的KEGG通路分别是类黄酮生物合成途径、异黄酮生物合成、类胡萝卜素生物合成、二苯乙烯、二芳基庚烷和姜酚的生物合成、植物激素信号传导途径。转录组和代谢组数据联合分析也表明，差异表达基因和差异代谢物主要与类黄酮生物合成途径等次生代谢有关。 综上所述，MPs对黄瓜植株生长的影响作用与MPs的粒径大小和浓度等均有一定的关系；转录组和代谢组学分析均表明，MPs对黄瓜叶片光合的抑制作用及对黄瓜植株抗病能力的影响与木质素合成、碳水化合物代谢、植物激素信号转导以及植物病原互作密切相关。据此，我们推测MPs会阻碍黄瓜木质素合成，使植物细胞壁结构发生变化，进而影响黄瓜叶片调控碳水化合物的关键酶，促使黄瓜幼苗光合作用受到抑制，最终也影响了黄瓜植株的生长和抗病能力。本文探讨了MPs对黄瓜幼苗生理生化特性的影响机制，为MPs对农田植物影响的深入研究奠定了基础。
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