氟磺胺草醚胁迫红小豆幼苗代谢物及通路分析

杨建 汤华成,3,4 曹冬梅,3,4 崔航 娄雨豪 王冀菲 张东杰

（1 黑龙江八一农垦大学食品学院，163319，黑龙江大庆；2 黑龙江省农产品加工与质量安全重点实验室，163319，黑龙江大庆；3 黑龙江省杂粮加工及质量安全工程技术研究中心，163319，黑龙江大庆；4 国家杂粮工程技术研究中心，163319，黑龙江大庆；5 北大荒现代农业产业技术省级培育协同创新中心，163319，黑龙江大庆）

红小豆是我国重要的杂粮作物之一[1]，其苗期易受杂草影响，导致产量下降，因此，合理使用除草剂既可以控制杂草，又可以减少药害，达到有效种植，确保红小豆增收增产。氟磺胺草醚（fomesafen，FSA）又称虎威，属于二苯醚类除草剂，其主要作用于原卟啉原氧化酶[2]，因其除草效率高、选择性好[3]，可被杂草叶片及根部吸收，抑制杂草光合速率及对有机物和能量汲取，从而达到除草效果[4]，目前已广泛用于大豆[5]、番茄[6]、小麦[7]、草莓[8]和玉米[9]等田间阔叶类杂草的防除。研究[10]表明，用25%FSA·烯草酮乳油对绿豆和红小豆田间阔叶杂草防除效果较好。红小豆田间喷施25%FSA 能使红小豆增产[11]。但田间喷施FSA 影响大豆幼苗的光合速率[12]，抑制幼苗蔗糖代谢和碳代谢过程，阻碍同化产物的合成和运输，影响大豆根瘤的能量供应[13-14]。

代谢组学是系统生物学的一个分支，在研究环境因素作用下的特定代谢型具有较高的灵敏度，在环境变化对机体的影响研究等方面具有优势[15-16]。前人[17]研究表明，采用LC-MS 技术分析乐果对小鼠的影响，在尿液中筛选出12 种差异代谢物，在血浆中筛选出13 种差异代谢物，且代谢物二甲基硫代磷酸和二甲基二硫代磷酸在所有的差异代谢物中最为显著。利用LC-MS 方法检测吡虫啉对蜜蜂羽化出房时代谢物的影响，共鉴定出18 种差异代谢物，主要调控鸟苷酸代谢和能量代谢等途径，对蜜蜂的生长发育产生显著影响[18]。利用代谢组学技术研究了恶唑烷酮对玉米幼苗代谢产物的影响，检测到90 多种代谢产物，其中24 种差异显著，这些差异代谢物参与玉米幼苗的能量和蛋白质代谢[19]。

目前，已有文献[10-11]报道，FSA 在红小豆田间具有良好的除草效果，但其在田间施用后对红小豆幼苗生长代谢影响的相关研究未见报道。因此，本研究以红小豆幼苗为研究对象，利用LC-MS 技术探究FSA 胁迫红小豆幼苗生长过程中代谢物及代谢通路变化情况，为红小豆田间使用FSA 的安全性评价提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验红小豆品种为珍珠红。试验试剂为25%氟磺胺草醚水剂；甲醇、乙腈、甲酸和异丙醇均为色谱纯，2-氯-L-苯丙氨酸（纯度≥98%）。

1.2 仪器与设备

试验所用设备如下，冷冻离心机（Centrifuge 5430 R）、多样品冷冻研磨仪（Wonbio-96 c）、台式快速离心浓缩干燥器（LNG-T 88）、氮气吹扫仪（JXDC-20）、UHPLC 液相色谱系统（Vanquish Horizon system）、质谱仪（Q-ExactiveHF-X）。

1.3 试验设计

1.3.1 FSA 胁迫红小豆种植试验及样品采集 挑选出籽粒大小均匀、饱满的红小豆种子，用去离子水洗去表面污渍后，浸泡于30%H2O2溶液中消毒5min，再用去离子水冲洗，直到泡沫完全消失，晾干后备用。根据除草剂FSA 的推荐使用量进行红小豆萌发试验。每盆种50 粒，每3 盆为1 个处理，每个处理3 个重复，以未喷药为空白对照，待红小豆苗长到2～3 叶时用除草剂FSA（0.3mL/m2）进行喷施，喷药次数为2 次，间隔时间为14d，第2 次喷药结束7d 后，对红小豆幼苗进行采样（即红小豆幼苗为5 叶时），采集未喷施FSA 的红小豆幼苗为Z-2-ZZ 组，喷施FSA 的红小豆幼苗为Z-2-ZZ-2组，所有采集样品置于-20℃冰箱中储存备用。

1.3.2 样品处理 准确称取50mg 样品至2mL 离心管中，加入一颗直径为6mm 的研磨珠和400µL提取液[甲醇:水=4:1（v:v）]，在冷冻组织研磨仪研磨6min（-10℃，50Hz），再用低温超声提取30min（5℃，40kHz），将样品于-20℃条件下静置30min，离心15min（13 000g，4℃），移取上清液至带内插管的进样小瓶中上机分析。最后每个样本分别移取20µL 上清液混合后作为质控样本。

1.3.3 LC-MS 检测 色谱条件参考林立铭等[20]的检测条件。质谱条件参照王琪琪[21]的检测条件并稍作修改，毛细管温度325℃，加热温度425℃，分辨率7500MS2。

1.4 数据处理

使用ProgenesisQI（美国）软件进行峰提取等预处理，并将提取的特征峰在公共的代谢组数据库KEGG 和HMDB 进行搜库鉴定，匹配出的代谢集用ropls（R）软件进行多元统计分析，结合Student’s t 检验的P＜0.05 和正交偏最小二乘―判别分析（OPLS-DA）中VIP＞1 筛选出差异代谢物，最后对代谢物进行KEGG 通路富集分析。

2 结果与分析

2.1 FSA 胁迫下红小豆幼苗主成分分析（PCA）

PCA 图直观地反映样本中代谢物的丰富度情况，样本间位置越近则越相似，越远则反之[22]。对Z-2-ZZ-2 组与Z-2-ZZ 组进行差异代谢物主成分分析，并绘制得分图。由图1 可知，2 组样本除少数点外，其余都在95%置信圈内，Z-2-ZZ-2 组与Z-2-ZZ 组的主成分明显不同，分别位于置信圈的左右两侧。从分布模式来看，正离子模式下，置信圈内右侧的Z-2-ZZ-2 组样本存在部分重叠现象，可能是因为相同处理样本的代谢物具有相似性造成的；负离子模式下，置信圈左侧6 个平行样品间的距离更近，说明6 个样本代谢物鉴定结果十分相近。

图1 红小豆幼苗Z-2-ZZ-2 组和Z-2-ZZ 组主成分分析得分图Fig.1 Scores of principal component analysis of adzuki bean seedlings in Z-2-ZZ-2 and Z-2-ZZ groups

2.2 FSA 胁迫红小豆幼苗正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）

OPLS-DA 可剔除PCA 中不相关的变量，计算出VIP 值，用于差异代谢物的筛选[23]。通过对Z-2-ZZ-2 组和Z-2-ZZ 组进行OPLS-DA 置换检验分析，由图2 可知，正离子模式下，R2X累积=0.75，R2Y累积=1，Q2=0.997，负离子模式下，R2X累积=0.79，R2Y累积=1，Q2=0.998，都比较接近于1，说明模型的预测能力和稳定性较好。经过200 次置换检验后，正负离子模式下的R2和Q2的回归直线均与纵坐标相交且Q2分别为-0.201 和-0.1971，说明模型具有有效性和可靠性，不存在过拟合现象。

图2 红小豆幼苗Z-2-ZZ-2 组和Z-2-ZZ 组OPLS-DA 置换检验结果Fig.2 OPLS-DA replacement test results of adzuki bean seedlings in Z-2-ZZ-2 and Z-2-ZZ groups

2.3 FSA 胁迫下红小豆幼苗差异代谢物数量和类别鉴定结果

由图3 可知，红色点表示差异代谢物的表达量呈上调趋势，蓝色点表示差异代谢物的表达量呈下调趋势，越往左右两边，差异越显著。2 种离子模式下分析出的代谢物数量极多，但多数仅有变化趋势，差异不显著。

图3 FSA 胁迫下红小豆幼苗差异代谢物火山图Fig.3 Volcanic figure of different metabolites of adzuki bean seedlings under FSA stress

Z-2-ZZ-2 与Z-2-ZZ 相比，从数量上看，在P＜0.05、VIP＞1 的条件下共筛选出236 种差异代谢物，如表1 和表2 可知，正离子模式下，分析出有名称的代谢物106 种，其中上调50 种，下调56种；负离子模式下，分析出代谢物130 种，其中上调42 种，下调88 种。从分类上看，正离子模式下，上调的差异代谢物主要是苯丙烷和聚酮化合物、有机化合物、脂质和类脂分子等，下调的差异代谢物主要是有机酸及其衍生物、脂质和类脂分子、有机杂环化合物、核苷、核苷酸及其类似物、苯丙烷和聚酮化合物等；负离子模式下，上调的差异代谢物主要是苯丙烷和聚酮化合物、脂质和类脂分子、有机氧化合物以及有机杂环化合物等，下调的差异代谢物主要是有机酸及其衍生物、脂质和类脂分子、有机氧化合物、核苷、核苷酸及其类似物、苯丙烷和聚酮化合物等。

表1 FSA 胁迫下红小豆幼苗差异代谢物定性结果（正离子)Table 1 Qualitative results of different metabolites in adzuki bean seedlings under FSA stress(cation)种species

表2 FSA 胁迫下红小豆幼苗差异代谢物定性结果（负离子)Table 2 Qualitative results of different metabolites in adzuki bean seedlings under FSA stress(anion)种species

2.4 FSA 胁迫下红小豆幼苗差异代谢物代谢通路分析

植物的生长伴随着复杂的代谢过程，由多种小分子代谢物共同调控，并不能从单一物质含量变化对整体变化进行判断，因此需进一步对其代谢途径进行具体的分析[24]。将筛选出的差异代谢物与KEGG 通路数据库信息进行匹配，对匹配到的代谢通路进行拓扑分析并绘制气泡图。由图4 可知，正离子模式下，共分析出16 条代谢通路；负离子模式下，共分析出12 条代谢通路，再结合Impact 值和P＜0.05 综合分析，筛选出差异显著的代谢通路以及参与相应通路的差异代谢物。如表3 和表4 可知，正离子模式下，富集到5 条差异显著的代谢通路，分别是嘧啶代谢、异黄酮生物合成、嘌呤代谢、半乳糖代谢和精氨酸和脯氨酸代谢，映射出13 种差异代谢物，其中差异代谢物尿嘧啶和胞嘧啶参与嘧啶代谢的代谢途径，2,7,4′-三羟基异黄酮、甘氨酸和毛蕊异黄酮参与了异黄酮生物合成，鸟嘌呤、次黄嘌呤和β-谷甾酮参与嘌呤代谢，甘露三糖和蔗糖参与了半乳糖代谢，4-（谷氨酰胺）丁酸酯、对香豆酰腐胺和（2 S）-2-（3-羧基丙酰氨基）-5-氧代戊酸参与了精氨酸和脯氨酸代谢；负离子模式下，富集到2 条差异显著的代谢通路，映射出5 种差异代谢物，分别是花青素生物合成和黄酮类生物合成，其中差异代谢物矢车菊素-3-葡萄糖苷和花葵素参与了花青素生物合成，根皮苷、（2 R,3 R）-3,4′,7-三羟基黄烷酮、花葵素和香树脂参与了黄酮类生物合成。

表3 FSA 胁迫下红小豆幼苗代谢通路富集结果（正离子）Table 3 Enrichment of metabolic pathway in adzuki bean seedlings under FSA stress(cation)

图4 FSA 胁迫下红小豆幼苗代谢途径拓扑分析气泡图Fig.4 Bubble diagram of topological analysis of metabolic pathway of adzuki bean seedlings under FSA stress

由图4 可知，颜色越红，P值越小，说明通路越显著，气泡越大，通路越重要。正离子模式下，嘧啶代谢途径、异黄酮生物合成途径和嘌呤代谢途径的气泡相对较大，说明这3 条通路在分析FSA对红小豆幼苗代谢途径的影响较为重要，其次，半乳糖代谢和精氨酸和脯氨酸代谢的气泡相对较小，说明FSA 对红小豆幼苗代谢途径的影响也有一定的重要性；负离子模式下，花青素生物合成途径的气泡较大，说明FSA 对红小豆幼苗的花青素生物合成影响较大，通路较为重要，黄酮类生物合成途径的气泡稍小，说明FSA 对红小豆幼苗中黄酮类物质的合成有显著影响。

3 讨论

植物中产生的次级代谢产物主要用于应对不良环境条件，如黄酮类物质、萜类化合物和生物碱等，它们对非生物的胁迫具有耐受性[25]。红小豆田间喷施FSA，主要对红小豆幼苗中苯丙烷和聚酮类化合物、脂质和类脂分子类化合物以及有机酸及其衍生物类化合物产生显著影响。苯丙烷和聚酮类化合物中的差异代谢物主要是黄酮类化合物，研究[26]表明，黄酮类化合物是豆类中的一种酚类化合物，具有调理细胞分化、凋亡、抗自由基等作用[27-28]，红小豆田间喷施FSA 能刺激红小豆幼苗产生次级代谢产物中的黄酮类物质，促进红小豆幼苗的生长代谢。植物根系分泌有机酸是为了适应环境胁迫，红小豆幼苗生长过程中受除草剂FSA 的胁迫，产生的有机酸释放到根际土壤中，从而改变土壤环境，例如土壤的理化性质和微生物活性等[29-31]，为红小豆幼苗的生长提供养分和能量，并且有机酸及其衍生物化合物中的羧酸及其衍生物属于萜类化合物，具有抵御FSA 胁迫的作用。

糖类物质能为植物的细胞代谢提供碳源和能量[32]。本研究发现，参与半乳糖代谢途径的差异代谢物——蔗糖的表达量显著下调，与程茁等[14]的研究结果一致，糖代谢为氨基酸代谢提供能量[33]，因此，氨基酸代谢中的精氨酸和脯氨酸代谢也受一定的影响。嘌呤和嘧啶主要以核苷酸的形式存在，而参与精氨酸和脯氨酸代谢的差异代谢物4-（谷氨酰胺）丁酸酯为嘌呤和嘧啶核苷酸类化合物的合成提供一部分氮源[34]。嘌呤和嘧啶属于生物碱，生物碱的合成和积累受生物和非生物的调控[35]，本研究中嘌呤代谢和嘧啶代谢途径富集到的差异代谢物尿嘧啶、胞嘧啶、鸟嘌呤、次黄嘌呤等的表达量在FSA 胁迫下发生显著下调，喷施FSA 抑制了红小豆幼苗的嘌呤代谢和嘧啶代谢。此外，植物类黄酮能使植物抵御外界环境的压迫[25,36]，喷施FSA 能促进红小豆幼苗中黄酮类物质的合成。花青素属于黄酮类化合物，是一种天然色素，幼苗的花色由各种花青素的比例决定，矢车菊素-3-葡萄糖苷和花葵素分别产生红色和橙色的花[37]，但花青素生物合成容易受外界因素的影响[38]，红小豆田间喷施FSA 显著影响红小豆幼苗中花青素的生物合成。

4 结论

采用LC-MS 代谢组学技术分析红小豆幼苗受FSA 胁迫后代谢物的变化具有可行性。结果表明，FSA 对红小豆幼苗代谢产物的种类和数量都有显著影响，主成分分析显示，Z-2-ZZ-2 组和Z-2-ZZ组之间存在代谢组学差异，经多元统计分析后，共筛选出236 种差异代谢物，且多数呈现下调趋势，说明红小豆田间喷施FSA 对红小豆幼苗的生长代谢造成显著影响。

KEGG 通路分析发现，除草剂FSA 对红小豆幼苗的生长代谢途径有显著影响，正离子模式下，差异显著且最为重要的通路是嘧啶代谢和异黄酮生物合成，负离子模式下，差异显著且最为重要的通路是花青素生物合成。本研究中筛选出7 条差异显著的代谢通路中有3 条（异黄酮生物合成、花青素生物合成和黄酮类生物合成）与红小豆幼苗中黄酮类化合物的合成有关，喷施FSA 对红小豆幼苗中黄酮类物质的影响较大，黄酮类化合物是通路分析的关键代谢物。