納米二氧化鈦對(duì)擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育及基因組穩(wěn)定性的影響

許少歆，徐 煒，鄧晨光，王 婷*

(1.安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，安徽合肥 230601；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，中國(guó)科學(xué)院離子束生物工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031)

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納米二氧化鈦對(duì)擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育及基因組穩(wěn)定性的影響

許少歆1，2，徐 煒2，鄧晨光2，王 婷2*

(1.安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，安徽合肥 230601；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，中國(guó)科學(xué)院離子束生物工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031)

[目的]利用3種擬南芥轉(zhuǎn)基因報(bào)告系，研究納米二氧化鈦對(duì)擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育及基因組穩(wěn)定性的影響。[方法]將擬南芥分別暴露于2種不同粒徑的納米二氧化鈦材料中，檢測(cè)其生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的變化，并進(jìn)一步以DNA損傷修復(fù)同源重組頻率和表觀轉(zhuǎn)錄沉默基因(TGS)的激活為遺傳學(xué)終點(diǎn)，檢測(cè)納米二氧化鈦對(duì)擬南芥基因組穩(wěn)定性的影響。[結(jié)果]在所使用的納米二氧化鈦材料濃度不影響擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)，可以誘導(dǎo)擬南芥同源重組頻率的增加以及同源重組相關(guān)基因表達(dá)的上調(diào)，同時(shí)能夠激活受TGS調(diào)控的TGS-GUS基因、TSI以及180bp。經(jīng)ICP-MS分析，鈦元素在地上部分的含量并無(wú)顯著增加。[結(jié)論]考慮到納米二氧化鈦材料的局部暴露，推測(cè)納米二氧化鈦可能通過(guò)間接作用誘導(dǎo)植物基因組不穩(wěn)定性。

納米二氧化鈦；擬南芥；同源重組；基因組不穩(wěn)定性

納米材料一般指結(jié)構(gòu)單元在1～100 nm的顆粒，因尺寸微小，具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如表面效應(yīng)、光學(xué)性質(zhì)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和催化性能等，被廣泛應(yīng)用于紡織化工、機(jī)械電子、生物醫(yī)藥、催化和材料科學(xué)、環(huán)境分析等領(lǐng)域[1]。而納米二氧化鈦更是由于其能夠防紫外線被廣泛應(yīng)用于化妝品領(lǐng)域[2]，同時(shí)也應(yīng)用于抗菌材料及廢水中的有機(jī)物處理[3]。然而納米二氧化鈦的廣泛應(yīng)用勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致其不同程度地釋放到環(huán)境中，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境產(chǎn)生不可預(yù)知的影響。傳統(tǒng)意義上納米二氧化鈦被認(rèn)為是低溶解性低毒的顆粒[4]，也有研究表明納米二氧化鈦無(wú)毒性[5]，近年來(lái)，利用動(dòng)物模型發(fā)現(xiàn)暴露于納米二氧化鈦顆粒2年的小鼠其肺癌發(fā)生率高于普通小鼠[6-7]，該研究結(jié)果對(duì)上述觀念提出了挑戰(zhàn)。國(guó)際癌癥研究中心(International Agency for Research on Cancer，簡(jiǎn)稱IARC)重新將其劃分為2B類致癌物，而納米二氧化鈦對(duì)于植物的毒性影響仍模糊，既有正促進(jìn)[3]也有負(fù)抑制[8]的結(jié)果。

DNA雙鏈斷裂(DNA double strand breaks，DSBs)是對(duì)于基因組DNA穩(wěn)定性最危險(xiǎn)的威脅，可以通過(guò)同源重組進(jìn)行無(wú)錯(cuò)修復(fù)。生物和非生物脅迫都可以引起DNA損傷并啟動(dòng)植物中的同源重組修復(fù)(homologous recombination，HR)[9]。擬南芥轉(zhuǎn)基因報(bào)告系R3L66是基于HR修復(fù)的一種報(bào)告基因系，該類報(bào)告系已被用來(lái)檢測(cè)各種DNA損傷物質(zhì)的基因毒性，包括電離輻射、重金屬、紫外線、除草劑等[10]。真核生物中體細(xì)胞HR修復(fù)都是由RAD52家族催化完成的[11]，而RAD54是RAD52家族的重要成員，正常情況下，RAD54基因表達(dá)水平較低，當(dāng)外界脅迫產(chǎn)生大量DSB時(shí)，RAD54基因表達(dá)水平顯著上調(diào)以提高HR修復(fù)的頻率。而誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)基因型15-6#中，AtRAD54的表達(dá)水平通過(guò)GUS蛋白活性來(lái)表達(dá)，且在前期研究中，發(fā)現(xiàn)其能夠反映脅迫條件下AtRAD54的應(yīng)答情況[12]。外界脅迫誘導(dǎo)植物基因組不穩(wěn)定性，不僅直接體現(xiàn)在DNA鏈斷裂，也會(huì)影響DNA修飾，包括DNA甲基化、組蛋白的翻譯后修飾和染色質(zhì)重塑等表觀遺傳終點(diǎn)的改變。表觀遺傳調(diào)控基因沉默對(duì)維持基因組的完整性至關(guān)重要[13]。表觀遺傳機(jī)制是植物對(duì)環(huán)境脅迫產(chǎn)生必不可少的應(yīng)激反應(yīng)。植物中一些重復(fù)的基因序列，通常被轉(zhuǎn)錄基因沉默(transcriptional gene silencing，TGS)機(jī)制調(diào)控，能夠響應(yīng)外界脅迫，成為表觀遺傳調(diào)控在脅迫條件下的衡量指標(biāo)。L5系擬南芥基因組中包含了一段單插入的多拷貝P35S：GUS基因(TGS-GUS)，TGS-GUS的表達(dá)被TGS機(jī)制所調(diào)控，因此，L5系擬南芥是用來(lái)研究重復(fù)元件的表觀調(diào)控的理想模型[14-16]。利用這3種轉(zhuǎn)基因系，前期實(shí)驗(yàn)已經(jīng)很好地證明了低劑量輻射、致癌物甲醛能夠誘導(dǎo)植物基因組不穩(wěn)定性[12，17-18]。筆者進(jìn)一步利用這3種擬南芥轉(zhuǎn)基因報(bào)告系，研究納米材料二氧化鈦對(duì)擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育及基因組穩(wěn)定性的影響。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1擬南芥品系。哥倫比亞生態(tài)型野生型擬南芥N1092，購(gòu)自諾丁漢擬南芥種質(zhì)中心(Nottingham Arabidopsis Stock Centre，簡(jiǎn)稱NASC)；擬南芥AtRAD54promoter：：GFP+GUS轉(zhuǎn)基因系15-6#，由Dr.Seiichi Toki(National Institute of Agrobilogical Sciences，Japan)[19]惠贈(zèng)；擬南芥P35S：：GUS(TGS-GUS)轉(zhuǎn)基因系L5-1，由Dr.Ortrun Mittelsten Scheid(Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology，Austrian Academy of Sciences，Austria)[14]惠贈(zèng)，擬南芥CaMV35Spromoter：：β-glucuronidase(uidA)轉(zhuǎn)基因系R3L66，由Dr.Francois Belzile(Department of phytology，University of Laval，Canada)惠贈(zèng)[10]。

1.1.2納米二氧化鈦。21 nm粒徑二氧化鈦，球形，99.5%純度(購(gòu)自Sigma-Aldrich)；100 nm粒徑二氧化鈦，球形，金紅石和銳鈦礦混合物，99.5%純度(購(gòu)自Sigma-Aldrich)。使用前，將納米二氧化鈦顆粒懸浮在去離子水中，經(jīng)超聲振蕩2次分散(100 W，40 kHz)40 min，然后加入到MS培養(yǎng)基中混合，超聲振蕩分散(100 W，40 kHz)30 min，點(diǎn)播擬南芥種子。

1.1.3生長(zhǎng)條件。將用75%無(wú)水乙醇和NaClO消毒的無(wú)菌擬南芥種子4 ℃冷處理48 h后，點(diǎn)播在含相應(yīng)納米二氧化鈦濃度的MS培養(yǎng)基上(10 g/L蔗糖，0.8 g/L瓊脂)，水平培養(yǎng)，培養(yǎng)條件：溫度(21±1)℃，光照周期16 h/d，光照強(qiáng)度約100 μmol/(cm2·s)。

1.2GUS活性定量檢測(cè)和組織化學(xué)定性檢測(cè)

1.2.1定量檢測(cè)。取直立于培養(yǎng)基之上，未與培養(yǎng)基接觸的地上部分為檢測(cè)樣品。對(duì)于15-6#、L5-1品系的擬南芥植株移去下胚軸及以下部分，地上部分(真葉、子葉和部分莖)一棵一組加至1.5 mL eppendorf管中，加入100 μL 4-MUG反應(yīng)液(50 mmol/L sodium phosphate(pH 7.0)，10 mol/L EDTA(pH8.0)，0.1% SDS，0.1 % triton X-100，10 mmol/L 4-MUG)，37 ℃水浴后，加入50 μL Na2CO3溶液終止反應(yīng)。檢測(cè)時(shí)每個(gè)樣品10組，取100 μL反應(yīng)液加入96孔酶標(biāo)板中，酶標(biāo)儀檢測(cè)熒光強(qiáng)度(激發(fā)光波長(zhǎng)365 nm，發(fā)射光波長(zhǎng)455 nm)[20]。

1.2.2定性檢測(cè)。對(duì)于R3L66品系的擬南芥植株，在蓮座期(發(fā)芽后約20 d)采樣，取未接觸到納米材料的地上部分，通過(guò)組織化學(xué)染色測(cè)定。通過(guò)計(jì)算每個(gè)植株的重組事件(藍(lán)點(diǎn))來(lái)計(jì)算同源重組頻率(Homologous recombination frequency，HRF)：HRF=x/n，其中，x為取樣中所有重組事件的總數(shù)，n為取樣的個(gè)體數(shù)。最終數(shù)值是3次獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)、每次實(shí)驗(yàn)30個(gè)以上檢測(cè)樣本的平均值。

1.3qRT-PCR檢測(cè)TGS位點(diǎn)和同源重組相關(guān)基因qRT-PCR檢測(cè)納米二氧化鈦材料中暴露7 d后TSI和180bp以及同源重組相關(guān)基因AtRAD51、AtDMC1、AtXRCC3的轉(zhuǎn)錄水平[13，21]。

取10～20株擬南芥的地上部分(未接觸含有納米材料的培養(yǎng)基)，液氮研磨后提RNA，反轉(zhuǎn)錄試劑盒為全式金公司的TransScrip? All-in-One First-Strand cDNA Synthesis SuperMix for qPCR(one-step gDNA removal)，qPCR反應(yīng)程序：95 ℃ 30 s；95 ℃ 5 s，60 ℃15 s，72 ℃10 s，40個(gè)循環(huán)。所有qPCR數(shù)據(jù)均為3次生物學(xué)重復(fù)，每個(gè)生物學(xué)重復(fù)包含3次技術(shù)重復(fù)，qRT-PCR引物序列見(jiàn)表1[14]。

表1　qRT-PCR的引物序列

1.4ROS水平測(cè)定取經(jīng)納米二氧化鈦材料處理7 d后的擬南芥地上部分，用CH-H2DCFDA探針(購(gòu)自Molecular Probes)檢測(cè)地上植株中的ROS含量[22]。其中，每個(gè)樣品約20 mg，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為最少5次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的平均值。

1.5電鏡表征納米二氧化鈦材料分別稱取2種粒徑的納米二氧化鈦，將其分散在水溶液中，超聲振蕩30 min后，用潔凈的鎳網(wǎng)夾夾取鎳網(wǎng)在分散的納米二氧化鈦溶液中蘸取，保證鎳網(wǎng)充分接觸懸浮液后，把鎳網(wǎng)放在干凈的濾紙上自然風(fēng)干，用TEM觀察2種納米二氧化鈦的形態(tài)和尺寸。

1.6ICP-MS測(cè)定地上部分鈦元素含量取根部暴露在含有納米二氧化鈦材料的培養(yǎng)基中7 d后及22 d后的擬南芥沒(méi)有接觸到培養(yǎng)基的地上組織部分，用ICP-MS(X Series 2，Thermo fisher Scientific)檢測(cè)鈦元素的含量。

1.7數(shù)據(jù)處理所有的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)T-檢驗(yàn)，P值小于0.05表示有顯著性差異。

2　結(jié)果與分析

2.1納米二氧化鈦的表征小粒徑二氧化鈦粒徑在21 nm左右，大部分接近圓形或橢圓形，易發(fā)生團(tuán)聚(圖1A)。大粒徑TiO2粒徑在90～100 nm，大部分接近圓形或橢圓形(圖1B)。

注：A.21 nm；B.100 nm。Note：A.21 nm；B.100 nm.圖1　納米二氧化鈦材料電鏡表征結(jié)果Fig.1　Measurement results of TiO2-NPs condition by Transmission Electron Microscopy (TEM)

2.2納米二氧化鈦暴露對(duì)擬南芥根長(zhǎng)及鮮重的影響不同濃度不同粒徑的納米二氧化鈦對(duì)擬南芥根長(zhǎng)及鮮重的影響見(jiàn)圖2、3。由圖2、3可知，在二氧化鈦濃度為10、20、50 μg/mL時(shí)，2種粒徑的納米二氧化鈦對(duì)鮮重及根長(zhǎng)均無(wú)影響。

2.3根部暴露在納米二氧化鈦中的擬南芥地上部分DNA同源重組頻率的變化進(jìn)一步利用擬南芥品系R3L66的種子萌發(fā)及生長(zhǎng)在含有不同粒徑和濃度的納米二氧化鈦的培養(yǎng)基中，選取22 d的地上部分組織進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)橥粗亟M頻率不僅取決于DNA雙鏈斷裂(DSBs)的水平，而且也和底物相關(guān)，如供試樣品的大小。因此，選取對(duì)于擬南芥鮮重?zé)o影響的納米二氧化鈦材料的濃度(10、20 μg/mL)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅根部暴露在納米二氧化鈦材料中的擬南芥地上部分，在濃度為10和20 μg/mL、粒徑為21和100 nm的條件下，均導(dǎo)致同源重組頻率的增加(圖4)，表明不影響植物生長(zhǎng)的低濃度納米二氧化鈦能夠誘導(dǎo)植物同源重組頻率的增加。

圖2　不同濃度納米二氧化鈦處理下擬南芥的生長(zhǎng)表型Fig.2　Growth of A.thaliana treated by different concentrations of TiO2-NPs

圖3　不同濃度納米二氧化鈦處理下擬南芥的鮮重和根長(zhǎng)Fig.3　Fresh weight and root length of A.thaliana treated by different concentrations of TiO2-NPs

圖4　暴露在納米二氧化鈦中的擬南芥同源重組頻率的變化Fig.4　Changes of DNA HRF in the aerial plants after exposure to TiO2-NPs

2.4納米二氧化鈦處理誘導(dǎo)擬南芥同源重組相關(guān)基因的表達(dá)將擬南芥轉(zhuǎn)基因品系15-6#暴露在2種粒徑的納米二氧化鈦中，7 d后檢測(cè)地上部分GUS蛋白的水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種粒徑的納米二氧化鈦在10 μg/mL下不能誘導(dǎo)AtRAD54表達(dá)水平的增加，而在20 μg/mL下均能誘導(dǎo)AtRAD54表達(dá)水平的增加。但對(duì)于50 μg/mL的納米二氧化鈦處理，小粒徑的納米二氧化鈦能誘導(dǎo)AtRAD54表達(dá)水平的增加，但大粒徑的二氧化鈦不能誘導(dǎo)AtRAD54表達(dá)水平的增加(圖5)。利用定量PCR方法進(jìn)一步檢測(cè)其他與同源重組相關(guān)的基因在濃度20 μg/mL下的表達(dá)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小粒徑二氧化鈦處理能夠誘導(dǎo)AtRAD51、AtDMC1、AtXRCC3的顯著增加，而大粒徑的二氧化鈦能夠誘導(dǎo)AtRAD51、AtDMC1、AtXRCC3的增加，但不顯著(圖6)。

圖5　納米二氧化鈦處理后AtRAD54的表達(dá)水平Fig.5　The expression levels of AtRAD54 in the seedlings subjected to TiO2-NPs

圖6　納米二氧化鈦處理后擬南芥同源重組相關(guān)基因的表達(dá)水平Fig.6　The expression levels of other HR-related genes in the seedlings subjected to TiO2-NPs

2.5不同粒徑的納米二氧化鈦誘導(dǎo)TGS基因激活上述結(jié)果顯示，納米二氧化鈦能夠誘導(dǎo)DNA同源重組的增加以及同源重組修復(fù)基因表達(dá)水平的增加，表明納米材料能夠增加擬南芥基因組不穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步證明該結(jié)論，選擇另一個(gè)轉(zhuǎn)基因報(bào)告系L5-1，該報(bào)告系能夠反映受轉(zhuǎn)錄沉默調(diào)控基因?qū)τ谕饨缑{迫的反應(yīng)。L5-1幼苗在含有不同濃度不同粒徑的納米二氧化鈦的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，7 d檢測(cè)地上部分TGS-GUS的表達(dá)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于暴露在含有納米二氧化鈦材料培養(yǎng)基中的擬南芥，僅粒徑21 nm、濃度 20 μg/mL時(shí)能夠誘導(dǎo)TGS-GUS的激活。而10和50 μg/mL 21 nm的二氧化鈦不能誘導(dǎo)TGS-GUS的激活，而大粒徑(<100 nm)的納米二氧化鈦在濃度10、20以及50 μg/mL下均不能誘導(dǎo)TGS-GUS的激活(圖7)。進(jìn)一步利用RT-PCR檢測(cè)了其他2種受TGS調(diào)控的內(nèi)源重復(fù)序列TSI和180bp在20 μg/mL的2種納米粒徑二氧化鈦暴露下的表達(dá)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，21 nm的納米二氧化鈦能夠顯著誘導(dǎo)TSI和180bp表達(dá)的增加，100 nm的納米二氧化鈦處理和對(duì)照無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖8)。這表明暴露于納米二氧化鈦中能夠誘導(dǎo)擬南芥TGS基因的激活，進(jìn)而導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定性。

圖7　納米二氧化鈦處理后TGS-GUS的表達(dá)水平Fig.7　The expression levels of TGS-GUS in the seedlings subjected to TiO2-NPs

圖8　納米二氧化鈦處理后TSI和180 bp的表達(dá)水平Fig.8　The expression levels of TSI and 180 bp in the seedlings subjected to TiO2-NPs

2.6納米二氧化鈦處理后擬南芥地上部分ROS水平的變化由圖9可知，與對(duì)照組相比，納米二氧化鈦材料處理組的ROS水平顯著下降(P<0.05)?？紤]到試驗(yàn)中暴露于納米材料的組織主要是根部，可能是由于納米材料導(dǎo)致根部氧化脅迫，激活了植株體內(nèi)抗氧化酶的活性，從而導(dǎo)致地上部分ROS水平有所下降。

圖9　納米二氧化鈦處理后地上部分的ROS水平Fig.9　The level of ROS in the aerial plants after TiO2-NPs treatment

2.7納米二氧化鈦材料處理后擬南芥地上部分鈦元素的含量上述結(jié)果表明，納米二氧化鈦材料可以誘導(dǎo)擬南芥地上部分組織同源重組頻率的增加以及TGS調(diào)控基因的激活。但在這一系列實(shí)驗(yàn)中，擬南芥僅根部接觸到含有納米二氧化鈦材料的培養(yǎng)基，因此，關(guān)于納米二氧化鈦材料對(duì)于擬南芥的作用機(jī)制中亟待解決的問(wèn)題是，納米粒子是否首先被根部吸收，再被轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分，并最終激活地上部分組織中的生物變化。ICP-MS測(cè)定對(duì)照組與20 μg/mL納米二氧化鈦材料處理組的地上部分鈦元素含量，發(fā)現(xiàn)在含有納米二氧化鈦培養(yǎng)基中短期暴露7 d后的擬南芥地上部分組織中，鈦元素含量均無(wú)顯著變化，而長(zhǎng)期暴露22 d后，2種粒徑的鈦元素含量均上升(圖10)。這表明納米二氧化鈦材料對(duì)于擬南芥地上部分組織誘導(dǎo)出的早期的改變(如同源重組修復(fù)相關(guān)基因的表達(dá)以及TGS基因的激活)可能是由受脅迫根部產(chǎn)生的損傷信號(hào)間接作用而成的。

圖10　納米二氧化鈦處理后地上部分組織Ti元素含量Fig.10　The content of Ti in the aerial plants after TiO2-NPs treatment

3　討論

隨著納米材料全球性的應(yīng)用和環(huán)境中納米材料的釋放，納米材料顆粒的環(huán)境毒性已經(jīng)引起了高度重視，過(guò)去的研究大多關(guān)注納米材料對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育層面的影響，而該實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)敏感可靠的評(píng)估納米材料對(duì)擬南芥遺傳毒性的方法。

該實(shí)驗(yàn)使用3種反映不同生物學(xué)終點(diǎn)的擬南芥轉(zhuǎn)基因品系，評(píng)估納米二氧化鈦材料對(duì)擬南芥的遺傳毒性，結(jié)果表明，當(dāng)納米二氧化鈦濃度為10 μg/mL時(shí)，AtRAD54基因的表達(dá)和TGS基因的沉默不受影響；當(dāng)暴露濃度達(dá)20 μg/mL時(shí)，AtRAD54基因的表達(dá)水平和與同源重組頻率均上升，同時(shí)轉(zhuǎn)錄沉默位點(diǎn)相關(guān)基因被激活。長(zhǎng)期暴露濃度為50 μg/mL的試驗(yàn)組和濃度為20 μg/mL的試驗(yàn)組相比，同源重組頻率有所下降，這表明在DNA修復(fù)過(guò)程中同源重組修復(fù)可能被其他修復(fù)通路部分取代。

粒徑大小已被證明可以極大地影響納米材料的毒性，在大多數(shù)情況下，粒徑較小的納米顆粒因具有較大的表面積體積比，會(huì)產(chǎn)生較大的生物反應(yīng)。在納米材料誘導(dǎo)同源重組頻率改變的實(shí)驗(yàn)中，粒徑為21 nm和粒徑為100 nm的實(shí)驗(yàn)組間無(wú)差異。但對(duì)于AtRAD54基因表達(dá)誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后基因沉默的激活，濃度均為50 μg/mL時(shí)，粒徑為21 nm的二氧化鈦材料可以誘導(dǎo)AtRAD54基因與其他同源重組相關(guān)基因表達(dá)水平的上調(diào)，而粒徑為100 nm的二氧化鈦不可以。濃度均為20 μg/mL時(shí)，粒徑為21 nm的二氧化鈦可以誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄后基因沉默的激活，而粒徑為100 nm的二氧化鈦不可以。這表明在誘導(dǎo)DNA損傷和轉(zhuǎn)錄基因沉默激活方面，小粒徑納米材料具有更高的活性。

研究表明，納米二氧化鈦材料很難被植物根系吸收。該實(shí)驗(yàn)經(jīng)ICP-MS檢測(cè)到根部暴露在納米二氧化鈦材料中的擬南芥地上部分組織中的鈦元素與對(duì)照組相比無(wú)顯著變化，可能是因?yàn)殁佋夭皇菙M南芥的必要元素，缺乏相應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)受體。納米二氧化鈦材料對(duì)于擬南芥的作用機(jī)制可能是根系產(chǎn)生應(yīng)激信號(hào)并由根冠通訊運(yùn)輸至地上部分。以往研究大多認(rèn)為ROS脅迫是納米材料毒性的直接來(lái)源之一。在該實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)納米二氧化鈦材料處理7 d后的擬南芥地上部分組織中ROS水平降低，可能是因?yàn)楸┞对诩{米材料中的根部受到脅迫，產(chǎn)生了應(yīng)激信號(hào)被輸送至地上部分，SOD和CAT等抗氧化酶被激活，ROS被清除。因此，對(duì)于納米二氧化鈦材料引起的毒性作用，ROS的變化可能不是直接原因。

該研究使用3個(gè)對(duì)環(huán)境敏感的擬南芥轉(zhuǎn)基因品系，研究了納米二氧化鈦對(duì)擬南芥的遺傳毒性效應(yīng)。結(jié)果表明，納米二氧化鈦處理根部可以誘導(dǎo)擬南芥地上部分中DNA損傷和TGS基因的激活。這表明在評(píng)估納米材料對(duì)于生態(tài)環(huán)境的毒害影響時(shí)，植物作為環(huán)境中的重要組成部分，也需要被充分考慮。

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Effects of TiO2-NPs on the Growth, Development and Genome Stability ofArabidopsisthaliana

XU Shao-xin1,2,XU Wei2,DENG Chen-guang2, WANG Ting2*

(1. School of Physics and Materials Science, Anhui University, Hefei, Anhui 230601; 2. Key Laboratory of Ion Beam Bioengineering, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031)

[Objective] To study the effects of TiO2-NPs on the genome stability and growth ofArabidopsisthalianaby using three kinds of transgenic lines ofArabidopsisthaliana. [Method] The model plantsA.thalianawere exposed to culture medium contained two different sized TiO2-NPs to study the effects on the growth and development ofA.thaliana, and some genetic and epigenetic changes such as DNA homologous recombination (HR) and the activation of transcriptional gene silencing (TGS) were used to evaluate their genome stability. [Result] When the used TiO2-NPs didn’t affect the growth and development ofA.thaliana, it increased the HR induction, up-regulated the expressions of HR-related genes, and activated the TGS loci (TGS-GUS,TSI, and 180bp). ICP-MS analysis showed that the content of Ti in the aerial plants was not significantly increased. [Conclusion] Considering the localized exposures of the roots to TiO2-NPs, it is speculated that the genome instability of the plants may be induced by TiO2-NPs through an indirect pathway.

TiO2-NPs;Arabidopsisthaliana; Homologous recombination;Genome instability

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB932002)。

許少歆(1993- )，女，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：生物物理學(xué)。*通訊作者，助理研究員，博士，從事輻射生物學(xué)和環(huán)境毒理學(xué)方面的研究。

2016-04-06

Q 943

A

0517-6611(2016)19-166-05