磺胺類抗生素對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)、生理及代謝組的影響

賁蓓倍 劉海學(xué) 李娜 楊仁杰

摘要：【目的】研究典型磺胺類抗生素（Sulfonamides，SAs）對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)、生理及代謝組的影響，為進(jìn)一步探究玉米對(duì)SAs的響應(yīng)機(jī)制提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳杂衩灼贩N鄭單958和掖單13為試驗(yàn)材料，以不添加SAs為對(duì)照（0 mg/L），以終濃度為10、20、30、40和50 mg/L的磺胺甲基嘧啶（SM1）和磺胺二甲基嘧啶（SM2）為處理，測(cè)定分析對(duì)照及不同處理玉米幼苗的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)，并通過(guò)氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）對(duì)玉米幼苗代謝物的含量及種類進(jìn)行檢測(cè)?！窘Y(jié)果】2種SAs處理后，玉米幼苗的根長(zhǎng)、株高、鮮重、干重和葉綠素含量總體上表現(xiàn)出低促高抑的變化趨勢(shì)。超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）活性被激活，總體變化趨勢(shì)為先上升后下降。經(jīng)GC-MS檢測(cè)出代謝物共70種，主要為有機(jī)酸、氨基酸、糖類及其衍生物和其他代謝物，將篩選到的12種差異代謝物富集到代謝通路上，結(jié)果映射得出7條顯著的代謝路徑：氨?；?tRNA的生物合成，氰氨基酸代謝，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝，纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成，乙醛酸和二羧酸的代謝，甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝，異喹啉生物堿的生物合成。【結(jié)論】SAs對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響呈低促高抑的效果。高濃度SAs使玉米幼苗生長(zhǎng)受抑，光合色素含量降低，遭受氧化損傷，具有不可忽視的生態(tài)毒性。氨基酸類代謝物為玉米幼苗響應(yīng)SAs的關(guān)鍵代謝物。鄭單958對(duì)SAs的耐性比掖單13強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 磺胺類抗生素;玉米;生長(zhǎng);生理;代謝組

中圖分類號(hào)： S513? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：2095-1191（2021）11-2977-09

Effects of sulfonamides on the growth，physiology and metabolome of maize seedlings

BEN Bei-bei1， LIU Hai-xue1*， LI Na2， YANG Ren-jie1

（1Tianjin Agricultural University， Tianjin? 300384， China; 2Fushun Forestry Development Service

Center， Fushun， Liaoning? 113000， China）

Abstract：【Objective】In this study， we explored the effects of typical sulfonamide antibiotics（Sulfonamides， SAs） on the growth， physiology and metabolome of maize seedlings， in order to provide a theoretical basis for further explo-ring the response mechanism of maize to SAs. 【Method】 Two kinds of maize varieties （Zhengdan 958 and Yedan 13） were selected as the research materials with no added SAs as the control （0 mg/L）， or with final concentrations of 10，20， 30， 40 and 50 mg/L sulfamerazine（SM1） or sulfamethazine （SM2） as the treatments. The growth and physiological indicators of maize seedlings were determined and the types and contents of metabolites of maize seedlings were detected by gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS）. 【Result】After SAs treatment，the root length，plant height，fresh weight dry weight and chlorophyll of maize seedlings showed a trend that low concentration promoted but high concentration inhibited growth. The activities of superoxide dismutase（SOD）， peroxidase（POD） and? catalase（CAT） enzymes were activated，and overall，the trend of change was firstly rising and then falling. A total of 70 metabolites were detected by GC-MS，mainly organic acids，amino acids，sugars and their derivatives and other metabolites.12 different metabolites were obtained，which were enriched on the metabolic pathways，and 7 significant metabolic pathways were mapped out：aminoacyl-tRNA biosynthesis;cyanoamino acid metabolism;alanine，aspartate and glutamate metabolism;valine，leucine and isoleucine biosynthesis;glyoxylate and dicarboxylate metabolism;glycine，serine and threonine metabolism;isoquinoline alkaloid biosynthesis. 【Conclusion】For maize seedlings treated with SAs，they show the effect of being promoted at low concentrations but inhibited at high concentrations. The high concentration of SAs inhibits the growth of maize seedlings，reduces the photosynthetic pigment content，suffers oxidative damage，and has a non-negligible ecotoxicity. Amino acid metabolites are the key metabolites of maize seedlings in response to SAs stress. The resistance of Zhengdan 958 against SAs is stronger than Yedan 13.

Key words： sulfonamids; maize; growth; physiology; metabolome

Foundation item： National Natural Science Foundation of China（41771357）

0 引言

【研究意義】近年來(lái)，抗生素污染逐漸受到關(guān)注。其中，磺胺類抗生素（Sulfonamids，SAs）是一類人工合成的有機(jī)物質(zhì)，因其具有成本低、抗菌譜性廣和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用（陳姍等，2019）。SAs在使用后僅有小部分參與生物體代謝，大部分會(huì)以原藥形式直接排放至多個(gè)環(huán)境介質(zhì)，具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)（Kumar et al.，2005）。玉米是我國(guó)典型糧食作物之一，具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力（趙久然等，2018）。在當(dāng)前環(huán)境污染不斷加劇的背景下，研究抗生素污染對(duì)玉米生長(zhǎng)、生理及代謝變化的影響，對(duì)探究玉米響應(yīng)逆境的機(jī)理具有重要意義，同時(shí)也可為抗逆玉米品種的選育提供新思路?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】抗生素長(zhǎng)期暴露會(huì)改變土壤微生物群落的功能和結(jié)構(gòu)多樣性（Gutiérrez et al.，2010），誘發(fā)抗性菌及抗性基因的傳播（張?zhí)m河等，2016;Grenni et al.，2019），進(jìn)而產(chǎn)生新型污染。同時(shí)，抗生素能被植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)并積累，影響植物的光合作用和正常生長(zhǎng)。有研究顯示，SAs可改變植物的根系地向性，對(duì)根系生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響，影響水分吸收，具有很強(qiáng)的損害植物性能和生物量毒害作用（Michelini et al.，2012）。四環(huán)素類抗生素會(huì)降低淡水綠藻的細(xì)胞膜透性，造成嚴(yán)重的毒害作用進(jìn)而抑制其生長(zhǎng)（徐冬梅等，2013）。高濃度的土霉素污染對(duì)水稻苗期的生長(zhǎng)及葉綠素含量具有顯著抑制作用（徐秋桐等，2016）。隨著SAs濃度的提高，苦草葉綠體的膜系統(tǒng)受到損傷，結(jié)構(gòu)變形，嚴(yán)重的會(huì)造成葉綠體解體，進(jìn)而影響光合作用（趙秀俠等，2017）。李亞寧等（2017）發(fā)現(xiàn)SAs在低濃度、高濃度染毒處理下能顯著抑制油菜葉片葉綠素的合成。司雄元等（2018）研究表明，SAs在單一脅迫、復(fù)合脅迫下，隨著處理濃度的升高，對(duì)小白菜的生長(zhǎng)及葉綠素產(chǎn)生抑制作用，毒性作用表現(xiàn)為磺胺二甲基嘧啶強(qiáng)于磺胺?？寡趸甘侵参矬w內(nèi)負(fù)責(zé)清除由環(huán)境影響產(chǎn)生的自由基的重要保護(hù)酶，其中超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）是最主要的3種酶。肖明月等（2014）以小白菜為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行6種常見(jiàn)抗生素處理，結(jié)果表明，6種抗生素均能顯著誘導(dǎo)小白菜可溶性蛋白積累，對(duì)其抗氧化酶系統(tǒng)平衡造成破壞。嚴(yán)青云等（2016）發(fā)現(xiàn)環(huán)丙沙星對(duì)不同品種菜心的氧化損傷程度不同，高積累菜心品種對(duì)可溶性蛋白、POD和SOD活性的誘導(dǎo)作用強(qiáng)于低積累菜心品種，因此高積累菜心品種受到的氧化損傷較低積累菜心品種小。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，隨著抗生素濃度增加，小麥幼苗中的SOD活性顯著增加，而CAT活性顯著降低（Riaza et al.，2017）。經(jīng)四環(huán)素與金霉素、四環(huán)素與磺胺嘧啶復(fù)合脅迫后，小白菜的SOD、POD和CAT活性均受到抑制，且受到的抑制作用強(qiáng)于單一抗生素處理（宮曉雙等，2019）。【本研究切入點(diǎn)】代謝物是生物系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境的體現(xiàn)者，通過(guò)確定和量化代謝物并對(duì)其進(jìn)行信息提取與分析，以達(dá)到解釋生化途徑和響應(yīng)機(jī)理的目的（Fiehn，2002），因此代謝組學(xué)是一個(gè)用于分析作物響應(yīng)逆境的高效工具。但目前抗生素對(duì)植物影響的研究多集中在生長(zhǎng)及生理影響方面（王朋等，2011;Ahmed et al.，2015），鮮有對(duì)代謝組影響的報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以2個(gè)玉米品種為研究材料，對(duì)其進(jìn)行2種SAs處理，測(cè)定并分析生長(zhǎng)、生理及代謝組學(xué)相關(guān)指標(biāo)，研究典型SAs對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響，以期為進(jìn)一步探究玉米對(duì)SAs的響應(yīng)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

玉米品種為鄭單958和掖單13;SAs為磺胺甲基嘧啶（Sulfamerazine，SM1）和磺胺二甲基嘧啶（Sulfamethazine，SM2），分別購(gòu)于Aladdin和Macklin公司，純度均為99%。

1. 2 試驗(yàn)方法

玉米幼苗培養(yǎng)采用水培法。玉米種子經(jīng)75%酒精消毒15 min，經(jīng)蒸餾水清洗5遍后置于培養(yǎng)盒中，于27 ℃黑暗催芽48 h，培養(yǎng)介質(zhì)為去離子水。待種子露白后均勻選取15粒玉米種子置于27 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，光照12 h/黑暗12 h，光照強(qiáng)度4000 lx，濕度為60%，培養(yǎng)介質(zhì)為Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液。待培養(yǎng)至3葉1心期時(shí)，將培養(yǎng)介質(zhì)換成SAs終濃度為10、20、30、40和50 mg/L的營(yíng)養(yǎng)液，每處理重復(fù)3次，處理7 d。以不添加SAs的Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)為對(duì)照（0 mg/L）。培養(yǎng)結(jié)束后收集玉米幼苗，洗凈、吸干水分后進(jìn)行生長(zhǎng)、生理指標(biāo)及代謝物測(cè)定。

1. 3 生長(zhǎng)及生理指標(biāo)測(cè)定

1. 3. 1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 在各處理中選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的玉米幼苗6株，測(cè)定株高、根長(zhǎng)和鮮重，經(jīng)105 ℃殺青15 min，75 ℃烘至恒重，測(cè)定干重。

1. 3. 2 生理指標(biāo)測(cè)定 生理指標(biāo)參照蒼晶和趙會(huì)杰（2013）的方法進(jìn)行測(cè)定。葉綠素含量采用分光光度法測(cè)定，SOD活性采用氮藍(lán)四唑光還原法測(cè)定，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，CAT活性采用分光光度法測(cè)定。

1. 4 代謝物提取及GC-MS條件

1. 4. 1 代謝物提取 將收集到的玉米幼苗全株經(jīng)液氮研磨，混勻后稱取150.0 mg于1 mL異丙醇-乙腈-水提取液（1∶1∶1，V/V/V）中4 ℃超聲提取30 min，離心1 min（4 ℃，10000 r/min），吸取150 μL上清液氮吹后進(jìn)行衍生（第一步：加入10 μL鹽酸甲氧胺吡啶，30 ℃衍生90 min;第二步：加入30 μL MSTFA+1% TMCS，37 ℃衍生30 min），最后加入1 mL（含20 μg十一烷內(nèi)標(biāo)物）正庚烷溶液，經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾，濾液即為待測(cè)液。重復(fù)3次。

1. 4. 2 GC-MS條件 實(shí)驗(yàn)儀器為7890 A-5975 C型氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀（Aglient公司）。色譜條件：色譜柱為Aglient 19091S-433HP-5MS（30 m×250 μm×0.25 μm），載氣為氦氣（純度99.999%），不分流進(jìn)樣。升溫程序?yàn)槌厣?0 ℃后維持1 min，以10 ℃/min升至270 ℃后運(yùn)行35 min。質(zhì)譜條件：電子碰撞內(nèi)能70 eV，離子源溫度230 ℃，四級(jí)桿溫度150 ℃，溶劑延遲6 min，掃描速度2 scan/s，范圍50～500 m/z，全掃描模式。

1. 5 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及計(jì)算，運(yùn)用SPSS 26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異性分析，Origin 2019制圖。通過(guò)SIMCA-P 13.1對(duì)代謝組數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析（PCA）及偏最小二乘法判別分析（PLS-DA），利用Metabo Analyst平臺(tái)進(jìn)行代謝途徑分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 SAs對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

由圖1可看出，SAs處理對(duì)玉米的生長(zhǎng)指標(biāo)均產(chǎn)生了一定程度的影響。在對(duì)株高的影響上，隨著SM1、SM2濃度的升高，與對(duì)照相比，鄭單958總體上表現(xiàn)出先被促進(jìn)后被抑制的變化趨勢(shì)， SM1和SM2的臨界濃度[即指標(biāo)受到顯著（P<0.05，下同）抑制的最小處理濃度，下同]分別為30和40 mg/L;掖單13株高的變化趨勢(shì)與鄭單958相似，但在SAs處理范圍內(nèi)并未受到顯著抑制（P>0.05，下同）。在對(duì)根長(zhǎng)的影響上，隨著SM1和SM2濃度的升高，與對(duì)照相比，鄭單958表現(xiàn)出先被促進(jìn)后被抑制的變化趨勢(shì)，SM1和SM2的臨界濃度分別為40和30 mg/L，掖單13則在SM1和SM2處理濃度范圍內(nèi)均被抑制，臨界濃度分別為20和10 mg/L。在對(duì)鮮重和干重的影響上，隨著SM1和SM2濃度的升高，鄭單958鮮重和干重的變化趨勢(shì)一致，與對(duì)照相比，均表現(xiàn)為先被促進(jìn)后被抑制。鄭單958在SM1處理下鮮重和干重的臨界濃度分別為30和40 mg/L，在SM2處理下鮮重和干重的臨界濃度均為30 mg/L。掖單13在SM1處理濃度范圍內(nèi)鮮重和干重均被抑制，其中在20～50 mg/L范圍內(nèi)抑制作用顯著，鮮重和干重的臨界濃度均為20 mg/L。在SM2處理下，掖單13的鮮重和干重表現(xiàn)為10 mg/L時(shí)被促進(jìn)，20 mg/L時(shí)被顯著促進(jìn)，而30～50 mg/L時(shí)被顯著抑制，臨界濃度均為30 mg/L。

2. 2 SAs對(duì)玉米生理指標(biāo)的影響

2. 2. 1 SAs對(duì)玉米幼苗葉綠素含量的影響 從圖2可看出，鄭單958經(jīng)SAs處理后，與對(duì)照相比，在SM1處理下，葉綠素含量在10 mg/L時(shí)顯著降低，在20～30 mg/L時(shí)有所提高但與對(duì)照差異不顯著，在40～50 mg/L時(shí)顯著降低;在SM2處理下，葉綠素含量整體呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，40～50 mg/L時(shí)表現(xiàn)出顯著抑制作用。其中SM2處理下的葉綠素含量變幅（-48%～8%）大于SM1處理（-19%～2%），SM1處理的臨界濃度為10 mg/L，SM2處理的臨界濃度為20 mg/L。掖單13經(jīng)SAs處理后，從變幅看，SM1處理下的葉綠素含量變幅（-17%～21%）大于SM2處理（-12%～12%），SM1和SM2處理的臨界濃度均為40 mg/L。

2. 2. 2 SAs對(duì)玉米幼苗抗氧化酶活性的影響 抗氧化酶是植物體內(nèi)重要的保護(hù)酶體系，其變化反映植物抗氧化損傷的能力。從圖3可看出，鄭單958和掖單13經(jīng)SAs處理后，SOD和POD活性均高于對(duì)照，整體表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢(shì)，表明酶的保護(hù)作用有限，在達(dá)到最大限度后酶活性會(huì)逐漸降低。其中，在SM1處理下，鄭單958和掖單13的SOD活性均在濃度為20 mg/L時(shí)達(dá)最高值;在SM2處理下，2個(gè)品種的SOD活性均在濃度為30 mg/L時(shí)達(dá)最高值，SM1的最大促進(jìn)作用濃度小于SM2，表明SM1對(duì)SOD活性的影響比SM2大。POD活性在SM1和SM2處理下均在濃度為30 mg/L時(shí)達(dá)最高值。在SM1處理下，鄭單958和掖單13的CAT活性均表現(xiàn)出低濃度被促進(jìn)高濃度被顯著抑制的趨勢(shì)，臨界濃度分別為50和40 mg/L。在SM2處理下，鄭單958的CAT活性均高于對(duì)照，濃度為40 mg/L時(shí)CAT活性最高;掖單13的CAT活性表現(xiàn)出低濃度被促進(jìn)高濃度被顯著抑制的趨勢(shì)，臨界濃度為50 mg/L?？傮w而言，SM1處理對(duì)玉米抗氧化酶活性的影響相對(duì)更大，鄭單958在同等條件下其抗氧化酶活性受SAs的影響小于掖單13。

2. 3 SAs對(duì)玉米幼苗代謝物的影響

2. 3. 1 代謝物種類鑒定 采用GC-MS檢測(cè)玉米幼苗代謝物，結(jié)果共鑒定出70種代謝物，包括有機(jī)酸27種、糖類及其衍生物18種、氨基酸14種和其他有機(jī)物11種，分別占總代謝物總數(shù)的38.6%、25.7%、20.0%和15.7%。

2. 3. 2 代謝物的多元統(tǒng)計(jì)分析 將3組生物學(xué)重復(fù)代謝物數(shù)據(jù)取平均值后進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng)PCA分析得到得分圖（圖4-A），結(jié)果表明，鄭單958和掖單13的樣品能較好區(qū)分開(kāi)來(lái)，說(shuō)明SAs對(duì)玉米的影響具有顯著的品種差異性;掖單13樣品分散性較鄭單958樣品大，表明掖單13受SAs的影響大于鄭單958。就單一品種而言，不同SAs處理的樣品分離效果不理想。因此，需進(jìn)一步進(jìn)行PLS-DA分析。

通過(guò)PLS-DA得分圖（圖4-B）可見(jiàn)，SM1、SM2處理總體上能分開(kāi)，掖單13樣品的分離效果優(yōu)于鄭單958樣品。就SM1處理而言，2個(gè)玉米品種均表現(xiàn)出20和50 mg/L間代謝物差異較小，30和40 mg/L間代謝物差異較小。就SM2處理而言，掖單13各樣品間差異不明顯，鄭單958樣品中，30 mg/L與其他樣品差異明顯。由此可見(jiàn)，在同一濃度范圍內(nèi)，SM1對(duì)玉米的影響大于SM2。經(jīng)過(guò)200次置換模型檢驗(yàn)，Q2值與R2Y值均低于相應(yīng)的原始值，因此判斷模型未存在過(guò)擬合現(xiàn)象，可依據(jù)其給出的變量投射重要度（Varia-ble importance for the projection，VIP）篩選差異代謝物。

2. 3. 3 差異代謝物分析 將PLS-DA分析中得到的VIP值結(jié)合單因素方差分析P值篩選差異代謝物（VIP>1，P<0.05），結(jié)果（表2）顯示，最終篩選出12種差異代謝物，為8種氨基酸和4種有機(jī)酸。由此可見(jiàn)，SAs對(duì)玉米幼苗中氨基酸類和有機(jī)酸類代謝物含量的影響較大。

對(duì)差異代謝物進(jìn)行含量的變化倍數(shù)分析，log2FC>0表示上調(diào)，log2FC<0表示下調(diào)，|log2FC|>1表示顯著上調(diào)或顯著下調(diào)。由表3可知，就掖單13樣品中的氨基酸含量而言，SM1、SM2在各濃度處理均表現(xiàn)上調(diào)趨勢(shì)，除YA10、YB10、YB20和YB50外，其他濃度均表現(xiàn)出顯著上調(diào)作用。就鄭單958樣品中的氨基酸含量而言，除ZB20外，SM1、SM2在各濃度處理均表現(xiàn)上調(diào)趨勢(shì)，但均未達(dá)顯著水平。表明SAs對(duì)掖單13樣品影響較顯著。在掖單13樣品中，SM1和SM2處理在10～40 mg/L范圍內(nèi)，氨基酸含量隨著濃度的上升而上升，在40 mg/L表現(xiàn)出最大的積累作用，而在50 mg/L時(shí)積累減少。就2個(gè)品種玉米樣品中的有機(jī)酸含量而言，SM1、SM2對(duì)其含量的影響或上升或下降，但均未達(dá)顯著水平。

2. 4 SAs對(duì)玉米幼苗代謝途徑的影響

將差異代謝物導(dǎo)入Metabo Analyst平臺(tái)進(jìn)行分析，依據(jù)P<0.05或Impact>0.2的判斷標(biāo)準(zhǔn)，最終篩選出具有顯著意義的7條代謝通路（表4）。表4中標(biāo)注了代謝路徑參與的總代謝物個(gè)數(shù)（Total）及匹配到的玉米幼苗的代謝物個(gè)數(shù)（Hits）。Impact值表示經(jīng)拓?fù)浞治龅贸龅拇x路徑影響值。變化顯著的代謝通路中超過(guò)半數(shù)通路與氨基酸的代謝和合成有關(guān)，說(shuō)明SAs對(duì)玉米幼苗中氨基酸的代謝途徑具有明顯影響。

3 討論

3. 1 SAs對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響

有研究表明，經(jīng)抗生素處理后，水芹的生長(zhǎng)在低濃度被促進(jìn)，而在高濃度時(shí)呈現(xiàn)出顯著的抑制效果。對(duì)SAs處理下的玉米幼苗生長(zhǎng)進(jìn)行研究，觀察到隨著SAs濃度的升高，各生長(zhǎng)指標(biāo)表現(xiàn)出低促高抑的效果，與鮑陳燕等（2016）關(guān)于抗生素脅迫對(duì)水芹生長(zhǎng)影響的研究結(jié)果一致。這種低促高抑現(xiàn)象的出現(xiàn)，有可能是當(dāng)SAs處于較低濃度時(shí)，抗逆活動(dòng)的激發(fā)使代謝活動(dòng)同步增強(qiáng)，進(jìn)而促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)（周文禮等，2009），這一猜想也在本研究的代謝組學(xué)分析中得到印證。而SAs處于較高濃度時(shí)，植物對(duì)SAs的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)活動(dòng)增強(qiáng)，內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定被破壞（遲蓀琳等，2018），最終導(dǎo)致生長(zhǎng)被抑制。

光合作用是植物最重要的環(huán)節(jié)之一，其正常穩(wěn)定運(yùn)作是能量來(lái)源和營(yíng)養(yǎng)積累的基礎(chǔ)，同時(shí)也是響應(yīng)逆境的重要體現(xiàn)（Abbasi et al.，2015）。葉綠素是植物光合作用的重要組成部分，其含量的變化能客觀反映生物體受到的影響。本研究結(jié)果表明，高濃度SAs能抑制玉米幼苗葉綠素的合成。有研究表明，高濃度的抗生素能抑制光合色素和光合作用相關(guān)蛋白的合成，使葉綠體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷，最大光合速率下降，呼吸作用升高，最終影響光合作用（Kasai，2004;Vannini et al.，2011）。

抗氧化酶系統(tǒng)是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的重要保護(hù)酶系統(tǒng)，植物在受到逆境脅迫時(shí)，體內(nèi)的抗氧化酶體系會(huì)被激活（魏瑞成等，2011;李亞寧等，2017）。在SAs處理下，SOD、POD和CAT活性均被激活，表明玉米幼苗受到了氧化損傷。本研究中，抗氧化酶活性的變化趨勢(shì)為先上升后下降，表明植物抗氧化體系抵御逆境的能力有一定限度。當(dāng)SAs濃度超過(guò)植物的耐受極限，SAs的富集作用使氧化損傷作用加深，或與關(guān)鍵酶活位點(diǎn)相結(jié)合形成絡(luò)合物，最終使酶活性降低（宮曉雙等，2019）。

3. 2 SAs對(duì)玉米幼苗代謝物及代謝途徑的影響

經(jīng)代謝組學(xué)分析玉米幼苗中差異代謝物含量變化，發(fā)現(xiàn)氨基酸含量變化顯著，但有機(jī)酸含量變化較小。差異氨基酸含量隨SAs濃度的升高呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，說(shuō)明隨著SAs脅迫的加劇，玉米幼苗的抗逆活動(dòng)增強(qiáng)，但超過(guò)一定的耐受限度后，抗逆活動(dòng)會(huì)減弱，進(jìn)而受到損害。

氨基酸是生物體受到環(huán)境壓力的響應(yīng)者，其變化對(duì)研究生物體抗逆性有重要的指導(dǎo)作用。燕輝等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫條件下，花棒葉片的丙氨酸、脯氨酸等主要游離氨基酸不斷合成與積累，參與滲透調(diào)節(jié)與離子運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)，以達(dá)到緩解逆境傷害的作用。本研究中，除丙氨酸外，SAs脅迫導(dǎo)致差異氨基酸含量總體上升，與燕輝等（2012）的研究結(jié)果相似。此外，4條與氨基酸相關(guān)的代謝途徑變化顯著，表示玉米幼苗在SAs脅迫時(shí)氨基酸活動(dòng)較活躍，是響應(yīng)SAs脅迫的重要調(diào)節(jié)物質(zhì)。氨基酸是合成抗逆蛋白的重要原料。本研究中，氨?；?tRNA的生物合成途徑變化顯著，表明蛋白質(zhì)的合成也較活躍。在受到SAs脅迫時(shí)，玉米幼苗可合成相關(guān)的抗逆蛋白，減輕逆境損傷，維持細(xì)胞液和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)，保證生物體的正常生長(zhǎng)發(fā)育及代謝（王艷蓉等，2015）。

有機(jī)酸是參與植物抗逆的滲透性物質(zhì)。本研究中，各SAs處理使有機(jī)酸含量或上升或下調(diào)，但影響均不顯著，推測(cè)玉米幼苗在響應(yīng)SAs脅迫時(shí)，有機(jī)酸參與抗逆但可能不是主要環(huán)節(jié)。戴凌燕等（2017）在甜高粱響應(yīng)蘇打鹽堿脅迫的研究中發(fā)現(xiàn)氨基酸生物合成和二羧酸代謝途徑達(dá)顯著水平。有報(bào)道發(fā)現(xiàn)，棉花在遭遇鹽脅迫時(shí)，乙醛酸和二羧酸代謝途徑與抗逆相關(guān)性較大，主要通過(guò)平衡植物體內(nèi)局部代謝紊亂，加快能量代謝以提高耐性（王德龍等，2010）。本研究與上述前人研究結(jié)果一致，表明乙醛酸和二羧酸的代謝路徑在玉米幼苗響應(yīng)逆境的調(diào)控中起積極作用。

異喹啉生物堿是一類具有清除自由基和抗脂質(zhì)過(guò)氧化活性的物質(zhì)（程軒軒等，2006）。耐鹽番茄（張國(guó)儒等，2018）、耐冷黃芪（華夢(mèng)藝等，2017）在逆境下均能使異喹啉生物堿生物合成的相關(guān)基因上調(diào)達(dá)顯著水平，使植物體減輕或消除因脅迫而造成的傷害。本研究中，異喹啉生物堿的生物合成途徑變化顯著，推測(cè)其可能在玉米幼苗SAs脅迫響應(yīng)中起重要作用。

4 結(jié)論

SAs對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響呈低促高抑的效果。高濃度SAs使玉米幼苗生長(zhǎng)受抑，光合色素含量降低，遭受氧化損傷，具有不可忽視的生態(tài)毒性。氨基酸類代謝物為玉米幼苗響應(yīng)SAs的關(guān)鍵代謝物，可從氨基酸動(dòng)態(tài)變化的角度進(jìn)一步研究玉米響應(yīng)抗生素的機(jī)理?？傮w來(lái)說(shuō)，鄭單958對(duì)SAs的耐性比掖單13強(qiáng)，可做為抗逆研究的供試材料。

參考文獻(xiàn)：

鮑陳燕，顧國(guó)平，章明奎. 2016. 獸用抗生素脅迫對(duì)水芹生長(zhǎng)及其抗生素積累的影響[J]. 土壤通報(bào)，47（1）：164-172.[Bao C Y，Gu G P，Zhang M K. 2016.? Effects of veterinary antibiotics stress on growth and antibiotics accumulation of Oenanthe javanica DC[J]. Chinese Journal of Soil Science，47（1）：164-172.] doi：10.19336/j.cnki.trtb. 2016.01.026.

蒼晶，趙會(huì)杰. 2013. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京：高等教育出版社. [Cang J，Zhao H J. 2013. Experimental course of plant physiology[M]. Beijing：Higher Education Press.

陳姍，許凡，張瑋，唐文喬，王麗卿. 2019. 磺胺類抗生素污染現(xiàn)狀及其環(huán)境行為的研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境化學(xué)，38（7）：1557-1569. [Chen S，Xu F，Zhang W，Tang W Q，Wang L Q. 2019. Research progress in pollution situation and environmental behavior of Sulfonamides[J]. Environmental Chemistry，38（7）：1557-1569.] doi：10.7524/j.issn. 0254-6108.2018091901.

程軒軒，王冬梅，楊得坡. 2006. 異喹啉類生物堿的生物活性和構(gòu)效關(guān)系研究進(jìn)展[J]. 中草藥（12）：1900-1904. [Cheng X X，Wang D M，Yang D P. 2006. Advances in studies on biological activity and structure-activity relationships of isoquinoline alkaloids[J]. Chinese Traditional and Herbal Drugs，（12）：1900-1904.] doi：10.3321/j.issn： 0253-2670.2006.12.052.

遲蓀琳，王衛(wèi)中，徐衛(wèi)紅，李桃，李彥華，張春來(lái). 2018. 四環(huán)素類抗生素對(duì)不同蔬菜生長(zhǎng)的影響及其富集轉(zhuǎn)運(yùn)特征[J]. 環(huán)境科學(xué)，（2）：935-943. [Chi S L，Wang W Z，Xu W H，Li T，Li Y H，Zhang C L. 2018. Effects of tetracycline antibiotics on growth and characteristics of enrichment and transformation in two vegetables[J]. Environmental Science，（2）：935-943.] doi：10.13227/j.hjkx.201706250.

戴凌燕，杜吉到，張玉先，朱洪德，殷奎德. 2017. 甜高粱響應(yīng)蘇打鹽堿脅迫的蛋白質(zhì)組學(xué)分析[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，36（6）：1597-1605. [Dai L Y，Du J D，Zhang Y X，Zhu H D，Yin K D. 2017. Proteomics analysis of sweet sorghum in response to soda saline-alkali stress[J]. Chinese Journal of Ecology，36（6）：1597-1605.] doi：10.13292/j.1000-4890. 201706.028.

宮曉雙，安婧，張立娜，魏樹(shù)和. 2019. 典型抗生素復(fù)合污染對(duì)小白菜生長(zhǎng)發(fā)育的毒理效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，38（2）：541-547. [Gong X S，An J，Zhang L N，Wei S H. 2019. Toxicological effects of combined pollution of typical antibiotics on the development of Chinese white cabbage（Brassica rapa） seedlings[J]. Chinese Journal of Ecology，38（2） ：541-547.] doi：10.13292/j.1000-4890.201902.004.

華夢(mèng)藝，顧卓雅，殷甘強(qiáng)，王偉，南蓬. 2017. 低溫脅迫下蒙古黃芪差異表達(dá)基因分析[J]. 植物生理學(xué)報(bào)，53（4）：581-590. [Hua M Y，Gu Z Y，Yin G Q，Wang W，Nan P. 2017. Analysis of differentially expressed genes profile under chilling stress in Astragalus membranaceus Bge. var. mongolicus（Bge.） Hsiao[J]. Plant Physiology Journal，53（4）：581-590.] doi： 10.13592/j.cnki.ppj.2016.0537.

李亞寧，張麗紅，殷艷艷，張晨，劉剛，李鳳祥. 2017. 典型磺胺類抗生素對(duì)油菜葉片葉綠素、可溶性蛋白及抗氧化酶的影響[J]. 環(huán)境污染與防治，39（11）：1209-1212. [Li Y N，Zhang L H，Yin Y Y，Zhang C，Liu G，Li F X. 2017. Effects of typical sulfonamides on the chlorophyll，soluble protein contents and peroxidases activity of Brassica campestris[J]. Environmental Pollution & Control，39（11）：1209-1212.] doi：10.15985/j.cnki.1001-3865.2017. 11.010.

司雄元，熊科勝，徐慧敏，檀華蓉，司友斌. 2018. 磺胺-磺胺二甲基嘧啶污染對(duì)小白菜生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響及相關(guān)性分析[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，34（6）：554-562. [Si X Y，Xiong K S，Xu H M，Tan H R，Si Y B. 2018. Effects of sulfonamide-sulfamethazine on growth and physio-logical indexes of Brassica campestris and its corre- lation analysis[J]. Journal of Ecology and Rural Environment，34（6）：554-562.] doi：10.11934/j.issn.1673-4831. 2018.06.011.

王德龍，葉武威，王俊娟，宋麗艷，樊偉麗，崔宇鵬. 2010. 干旱脅迫下棉花SSH文庫(kù)構(gòu)建及其抗旱相關(guān)基因分析[J]. 作物學(xué)報(bào)，36（12）：2035-2044. [Wang D L，Ye W W，Wang J J，Song L Y，F(xiàn)an W L，Cui Y P. 2010. Construction of SSH library and its analyses of cotton drought associated genes under drought stress[J]. Acta Agronomica Sinica，36（12）：2035-2044.] doi：10.3724/SP.J.1006.2010. 02035.

王朋，溫蓓，張淑貞. 2011. 環(huán)丙沙星對(duì)玉米芽期抗氧化酶活性及自由基代謝的影響[J]. 環(huán)境化學(xué)，30（4）：753-759. [Wang P，Wen B，Zhang S Z. 2011. Influence of ciprofloxacin（CIP） on antioxidative enzymes and free radical levels in maize（Zea mays L.） early stage development[J]. Environmental Chemistry，30（4）：753-759.]

王艷蓉，張治國(guó)，吳金霞. 2015. LEA蛋白及其在植物抗逆改良中的應(yīng)用[J]. 生物技術(shù)通報(bào)，（3）：1-9. [Wang Y R，Zhang Z G，Wu J X. 2015. LEA protein and its application in improvement of stress tolerance in plants[J]. Biotechnology Bulletin，（3）：1-9.] doi：10.13560/j.cnki.biotech. bull.1985.2015.04.001.

魏瑞成，裴燕，政曉麗，朱旭博，陳明，王冉. 2011. 金霉素和其代謝物脅迫對(duì)小白菜幼苗生長(zhǎng)和抗氧化酶活性及累積效應(yīng)的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào)，20（5）：102-110. [Wei R C，Pei Y，Zheng X L，Zhu X B，Chen M，Wang R. 2011. Effects of chlortetracycline and 4-epi-chlortetracycline stress on seeding growth，antioxidant enzyme activities and accumulation in pakchoi[J]. Acta Prataculyurae Sinica，20（5）：102-110.] doi：10.11686/cyxb20110514.

肖明月，安婧，紀(jì)占華，崔爽，李萍. 2014. 六種常見(jiàn)抗生素對(duì)小白菜種子萌發(fā)及生理特性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，33（10）：2775-2781. [Xiao M Y，An J，Ji Z H，Cui S，Li P. 2014. Toxic effects of six typical antibiotics on seed germination and physiological characteristics of Chinese cabbage[J]. Chinese Journal of Ecology，33（10）：2775-2781.] doi： 10.13292/j.1000-4890.2014.0244.

徐冬梅，王艷花，饒桂維. 2013. 四環(huán)素類抗生素對(duì)淡水綠藻的毒性作用[J]. 環(huán)境科學(xué)，34（9）：3386-3390. [Xu D M，Wang Y H，Rao G W. 2013. Cellular response of freshwater green algae to the toxicity of tetracycline antibiotics[J]. Environmental Science，34（9）：3386-3390.]

徐秋桐，顧國(guó)平，章明奎. 2016. 土壤中獸用抗生素污染對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，33（1）：60-65. [Xu Q T，Gu G P，Zhang M K. 2016. Effects of soil ve-terinary antibiotics pollution on rice growth[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment，33（1）：60-65.] doi：10.13254/j.jare.2015.0133.

嚴(yán)青云，向壘，吳小蓮，姜元能，李彥文. 2016. 環(huán)丙沙星高、低積累菜心（Brassica campestris L.）抗氧化性能的差異[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，36（7）：2694-2700. [Yan Q Y，Xiang L，Wu X L，Jiang Y N，Li Y W. 2016. Difference of anti-oxidation activities in Chinese flowering cabbages（Brassica campestris L.）with high and low accumulation of ciprofloxacin[J]. Acta Scientiae Circumstantiae，36（7） ：2694-2700.] doi：10.13671/j.hjkxxb.2015.0763.

燕輝，彭曉邦，薛建杰. 2012. NaCl脅迫對(duì)花棒葉片光合特性及游離氨基酸代謝的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，23（7）：1790-1796. [Yan H，Peng X B，Xue J J. 2012. Effects of NaCl stress on leaf photosynthesis characteristics and free amino acid metabolism of Heyedysarum scoparium[J]. Chinese Journal of Applied Ecology，23（7）：1790-1796.] doi： 10.13287/j.1001-9332.2012.0234.

張國(guó)儒，龐勝群，郭曉珊，單淑玲. 2018. 加工番茄耐鹽突變體耐鹽相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄組分析[J]. 分子植物育種，16（18）：5884-5896. [Zhang G R，Pang S Q，Guo X S，Shan S L. 2018. Transcriptome analysis of salt-tolerance-rela-ted genes in processing tomato salt-tolerant mutants[J]. Molecular Plant Breeding，16（18）：5884-5896.] doi：10. 13271/j.mpb.016.005884.

張?zhí)m河，王佳佳，哈雪姣，邱孟超，高敏，仇天雷，王旭明. 2016. 北京地區(qū)菜田土壤抗生素抗性基因的分布特征[J]. 環(huán)境科學(xué)，37（11）：4395-4401. [Zhang L H，Wang J J，Ha X J，Qiu M C，Gao M，Qiu T L，Wang X M. 2016. Distribution characteristics of antibiotic resistance genes in vegetable soils in Beijing[J]. Environmental Science，37（11）：4395-4401.] doi：10.13227/j.hjkx.201605077.

趙久然，王帥，李明，呂慧穎，王道文，葛毅強(qiáng)，魏珣，楊維才. 2018. 玉米育種行業(yè)創(chuàng)新現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 植物遺傳資源學(xué)報(bào)，19（3）：435-446. [Zhao J R，Wang S，Li M，Lü H Y，Wang D W，Ge Y Q，Wei X，Yang W C. 2018. Current status and perspective of maize breeding[J]. Journal of Plant Genetic Resources，19（3）：435-446.] doi：10. 13430/j.cnki.jpgr.2018.03.008.

趙秀俠，侯冠軍，李靜，盧文軒. 2017. 磺胺對(duì)苦草（Vallisneria natans（Lour.）Hara）生理生長(zhǎng)及細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 安徽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），41（2）：92-99. [Zhao X X，Hou G J，Li J，Lu W X. 2017. Physiological respoints and ultrastructure changes of Vallisneria natans（Lour.）Hara under sulfonamides stress[J]. Journal of Anhui University（Natural Science Edition），41（2）：92-99.] doi：10.3969/j.issn.1000-2162.2017.02.013.

周文禮，喬秀亭，肖慧，王悠，曲良，唐學(xué)璽，張培玉. 2009. 三種抗生素對(duì)幾種海洋微藻葉綠素a含量影響的初步研究[J]. 海洋環(huán)境科學(xué)，28（3）：268-271. [Zhou W L，Qiao X T，Xiao H，Wang Y，Qu L，Tang X X，Zhang P Y. 2009. Effects of antibiotics on chlorophyll-a level in marine microalgae[J]. Marine Environmental Science，28（3）：268-271.] doi：10.3969/j.issn.1672-5174.2007.06.009.

Abbasi G H，Akhtar J，Anwar-ul-Haq M，Malik W，Ali S，Chen Z H，Zhang G P. 2015. Morpho-physiological and micrographic characterization of maize hybrids under NaCl and Cd stress[J]. Plant Growth Regulation，75（1）：115-122. doi：10.1007/s10725-014-9936-6.

Ahmed M B M，Rajapaksha A U，Lim J E，Vu N T，Kim I S，Kang H M，Lee S S，Ok Y S. 2015. Distribution and accumulative pattern of tetracyclines and sulfonamides in edible vegetables of cucumber，tomato，and lettuce[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，63（2）：398-405. doi：10.1021/jf5034637.

Fiehn O. 2002. Metabolomics—The link between genotypes and phenotypes[J]. Plant Molecular Biology，48（1-2）：155-171. doi：10.1023/A：1013713905833.

Grenni P，Patrolecco L，Rauseo J，Spataro F，Di Lenola M，Aimola G，Zacchini M，Pietrini F，Di Baccio D，Stanton I C，Gaze W H，Caracciolo A B. 2019. Sulfamethoxazole persistence in a river water ecosystem and its effects on the natural microbial community and Lemna minor plant[J]. Microchemical Journal，149：103999. doi：10.1016/j.microc.2019.103999.

Gutiérrez I R，Watanabe N，Harter T，Glaser B，Radke M. 2010. Effect of sulfonamide antibiotics on microbial diversity and activity in a Californian Mollic Haploxeralf[J]. Journal of Soils and Sediments，10（3）：537-544. doi：0.1007/s11368-009-0168-8.

Kasai K. 2004. Guanosine tetra- and pentaphosphate synthase activity in chloroplasts of a higher plant：Association with 70S ribosomes and inhibition by tetracycline[J]. Nucleic Acids Research，32（19）：5732-5741. doi：10.1093/nar/ gkh916.

Kumar K，Gupta S C，Baidoo S K，Chander Y，Rosen C J. 2005. Antibiotic uptake by plants from soil fertilized with animal manure[J]. Journal of Environmental Quality，34（6）：2082-2085. doi：10.2134/jeq2005.0026.

Riaza L，Mahmooda T，Coyneb M S，Khalida A，Rashida A，Hayatc M T，Gulzard A，Amjade M. 2017. Physiological and antioxidant response of wheat（Triticum aestivum） seedlings to fluoroquinolone antibiotics[J]. Chemosphere，177：250-257. doi：10.1016/j.chemosphere.2017.03.033.

Michelini L，Reichel R，Werner W，Ghisi R，Thiele-Bruhn S. 2012. Sulfadiazine uptake and effects on Salix fragilis L. and Zea mays L. plants[J]. Water，Air，& Soil Pollution，223（8）：5243-5257. doi：10.1007/s11270-012-1275-5.

Vannini C，Domingo G，Marsoni M，De Mattia F，Labra M，Castiglioni S，Bracale M. 2011. Effects of a complex mixture of therapeutic drugs on unicellular algae Pseudokirchneriella subcapitata[J]. Aquatic Toxicology（Amsterdam， Netherlands），101（2）：459-465. doi：10.1016/j.aquatox.2010.10.011.

收稿日期：2021-02-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41771357）

通訊作者：劉海學(xué)（1965-），http：//orcid.org/0000-0001-7330-4660，博士，研究員，主要從事作物遺傳育種研究工作，E-mail：hxliu 1965@sina.com

第一作者：賁蓓倍（1995-），http：//orcid.org/0000-0003-3862-4444，研究方向?yàn)樽魑镞z傳育種，E-mail：1073195427@qq.com