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随着工业化和城市化进程的加快，土壤重金属污染问题日益凸显，其对生态系统、植物生长和人体健康的影响也引起广泛关注。水稻（OryzasativaL.）对镉有较强的吸收，使镉通过食物链进入人体从而危害人类健康。代谢组学（metabonomic）可以研究植物代谢物种类及其含量在不同环境条件下的变化，探索植物代谢物的时空积累模式，为进一步解析植物发育及应对外界环境条件的调控机制提供依据。为了解水稻响应镉胁迫代谢组变化及主要代谢途径，本研究以常规稻黄华占（O.sativaL.subsp.indica‘Huanghuazhan’）为实验材料，采用气相色谱-质谱（GC-MS）和超高效液相色谱-飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF-MS）两种质谱技术对镉胁迫下苗期水稻代谢物分别进行了靶向和非靶向代谢组学研究。此外，基于前期工作基础，利用高效液相色谱（HPLC）结合11种化合物标准品对水稻萌发过程中响应镉胁迫酚类物质的变化进行了靶向代谢组学研究。主要研究结果如下：
1.镉胁迫会导致水稻苗期叶尖、叶鞘发黄，根变为褐色，苗高、根长、鲜重和干重均随着镉胁迫浓度的增加呈下降的趋势。随着镉胁迫浓度的增加，水稻苗期叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量呈先增加后降低的趋势，脯氨酸、可溶性糖和丙二醛含量呈上升趋势，可溶性蛋白的含量呈下降的趋势，三种抗氧化酶的活性表现为：随着镉胁迫浓度的增加，超氧化物歧化酶（SOD）活性表现出升高的趋势，过氧化物酶（POD）的活性呈显著升高的趋势（p＜0.05），而过氧化氢酶（CAT）的活性呈先升高后降低的趋势。
2.GC-MS从苗期水稻中共鉴定出氨基酸、有机酸和糖类等31种初生代谢产物。方差分析表明L-丝氨酸随着镉胁迫浓度的增加而显著降低（p＜0.05），L-苏氨酸、4-氨基丁酸、莽草酸、柠檬酸、麦芽糖、葡萄糖和α-乳糖随着镉胁迫浓度的增加而显著增加（p＜0.05），其余23种物质均随着镉胁迫浓度的增加呈先增加后降低的趋势。热图分析表明水稻在低浓度镉（50μM）胁迫下，多数氨基酸、有机酸和糖类物质含量均表现出增加的趋势，但在高浓度镉（500μM）胁迫下多数氨基酸和有机酸物质含量呈降低的趋势，但多数糖类物质较对照仍呈上升的趋势。
3.随着镉胁迫浓度的增加，苗期水稻总酚含量呈增加的趋势，且在500μM镉胁迫处理下总酚含量显著增加（p＜0.05），总黄酮含量呈先降低后升高的趋势。采用UPLC-Q-TOF-MS对镉胁迫下水稻代谢物进行了非靶向代谢分析，共鉴定出氨基酸类、有机酸类、酚类、糖类和苷类等物质34种。其中，镉胁迫下除L-苯丙氨酸外，其余3种氨基酸类物质含量均低于对照组，且亮氨酸和天冬氨酸相对含量在镉胁迫组中较对照组显著降低（p＜0.05）；高镉胁迫下（500μM）7种有机酸含量达到最大值，其中甘油酸、苹果酸、L-奎宁酸和葡萄糖酸的含量在高镉处理下显著增加（p＜0.05）；12种酚类物质中除咖啡酸、菜豆酸、山奈酚和二氢杨梅素外，其余8种酚类物质含量均随着镉胁迫浓度的增加而增加，其中肉桂酸、原儿茶酸、阿魏酸、美迪紫檀素在高镉胁迫下显著增加（p＜0.05）；多数糖类物质的含量均随着镉胁迫浓度的增加而增加，而苷类物质则随着镉浓度的增加呈降低的趋势。结果表明，氨基酸、有机酸、酚类和糖类等物质在水稻响应镉胁迫过程中起着重要的作用，尤其是参与苯丙氨酸代谢途径的酚类物质在镉胁迫下变化较为剧烈。
4.镉胁迫对水稻种子的胚根和胚芽具有抑制作用，且对胚根的抑制作用明显大于胚芽。利用建立的HPLC方法分析了水稻萌发过程中11种酚类化合物的变化，结果表明，水稻萌发过程中11种酚类物质总量极显著增加；其中，低浓度镉（10μM）促进原儿茶酸、绿原酸、咖啡酸和对香豆酸的合成，高浓度镉（500μM）显著抑制（p＜0.05）芦丁、白藜芦醇、肉桂酸、槲皮素和山奈酚的合成；萌发2d（初期），在较高浓度镉（≥200μM）处理下，除阿魏酸、山奈酚和肉桂酸外，其余6种物质含量均为最高；在萌发4d（中期）和6d（后期）多数酚类物质含量随着镉浓度的增加呈下降趋势。结果表明，镉胁迫对水稻种子萌发具有抑制作用，并显著影响其酚类物质合成。
5.对镉胁迫下水稻检测到的化合物进行了代谢分析，将这些化合物富集到KEGG数据库相关的生物途径中，总共涉及到42条代谢途径。其中在镉胁迫下氨酰基-tRNA生物合成、丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸代谢、半乳糖代谢、氰氨基酸代谢、氮代谢和甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢6条途径包含代谢物较多（p＜0.05）。这些途径涉及到的主要是氨基酸代谢、有机酸代谢和糖代谢过程，以及苯丙氨酸代谢途径的物质。
本文通过GC-MS、UPLC-Q-TOF-MS和HPLC三种技术对镉胁迫下水稻进行了代谢组学研究，共67种代谢物进行了定性分析，并富集到相应的代谢通路中。研究结果表明，水稻在镉胁迫下可能是通提高氨基酸代谢、有机酸代谢和糖代谢中相关物质含量，进而改变糖酵解途径、TCA和由莽草酸途径衍生的苯丙酸类代谢过程，以提高自身抗镉性，但随着镉胁迫浓度的增加，水稻可能主要是通过提高糖含量来提高耐镉性或是促进大量酚类物的合成以抵御镉毒害造成的氧化损伤。
1.镉胁迫会导致水稻苗期叶尖、叶鞘发黄，根变为褐色，苗高、根长、鲜重和干重均随着镉胁迫浓度的增加呈下降的趋势。随着镉胁迫浓度的增加，水稻苗期叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量呈先增加后降低的趋势，脯氨酸、可溶性糖和丙二醛含量呈上升趋势，可溶性蛋白的含量呈下降的趋势，三种抗氧化酶的活性表现为：随着镉胁迫浓度的增加，超氧化物歧化酶（SOD）活性表现出升高的趋势，过氧化物酶（POD）的活性呈显著升高的趋势（p＜0.05），而过氧化氢酶（CAT）的活性呈先升高后降低的趋势。
2.GC-MS从苗期水稻中共鉴定出氨基酸、有机酸和糖类等31种初生代谢产物。方差分析表明L-丝氨酸随着镉胁迫浓度的增加而显著降低（p＜0.05），L-苏氨酸、4-氨基丁酸、莽草酸、柠檬酸、麦芽糖、葡萄糖和α-乳糖随着镉胁迫浓度的增加而显著增加（p＜0.05），其余23种物质均随着镉胁迫浓度的增加呈先增加后降低的趋势。热图分析表明水稻在低浓度镉（50μM）胁迫下，多数氨基酸、有机酸和糖类物质含量均表现出增加的趋势，但在高浓度镉（500μM）胁迫下多数氨基酸和有机酸物质含量呈降低的趋势，但多数糖类物质较对照仍呈上升的趋势。
3.随着镉胁迫浓度的增加，苗期水稻总酚含量呈增加的趋势，且在500μM镉胁迫处理下总酚含量显著增加（p＜0.05），总黄酮含量呈先降低后升高的趋势。采用UPLC-Q-TOF-MS对镉胁迫下水稻代谢物进行了非靶向代谢分析，共鉴定出氨基酸类、有机酸类、酚类、糖类和苷类等物质34种。其中，镉胁迫下除L-苯丙氨酸外，其余3种氨基酸类物质含量均低于对照组，且亮氨酸和天冬氨酸相对含量在镉胁迫组中较对照组显著降低（p＜0.05）；高镉胁迫下（500μM）7种有机酸含量达到最大值，其中甘油酸、苹果酸、L-奎宁酸和葡萄糖酸的含量在高镉处理下显著增加（p＜0.05）；12种酚类物质中除咖啡酸、菜豆酸、山奈酚和二氢杨梅素外，其余8种酚类物质含量均随着镉胁迫浓度的增加而增加，其中肉桂酸、原儿茶酸、阿魏酸、美迪紫檀素在高镉胁迫下显著增加（p＜0.05）；多数糖类物质的含量均随着镉胁迫浓度的增加而增加，而苷类物质则随着镉浓度的增加呈降低的趋势。结果表明，氨基酸、有机酸、酚类和糖类等物质在水稻响应镉胁迫过程中起着重要的作用，尤其是参与苯丙氨酸代谢途径的酚类物质在镉胁迫下变化较为剧烈。
4.镉胁迫对水稻种子的胚根和胚芽具有抑制作用，且对胚根的抑制作用明显大于胚芽。利用建立的HPLC方法分析了水稻萌发过程中11种酚类化合物的变化，结果表明，水稻萌发过程中11种酚类物质总量极显著增加；其中，低浓度镉（10μM）促进原儿茶酸、绿原酸、咖啡酸和对香豆酸的合成，高浓度镉（500μM）显著抑制（p＜0.05）芦丁、白藜芦醇、肉桂酸、槲皮素和山奈酚的合成；萌发2d（初期），在较高浓度镉（≥200μM）处理下，除阿魏酸、山奈酚和肉桂酸外，其余6种物质含量均为最高；在萌发4d（中期）和6d（后期）多数酚类物质含量随着镉浓度的增加呈下降趋势。结果表明，镉胁迫对水稻种子萌发具有抑制作用，并显著影响其酚类物质合成。
5.对镉胁迫下水稻检测到的化合物进行了代谢分析，将这些化合物富集到KEGG数据库相关的生物途径中，总共涉及到42条代谢途径。其中在镉胁迫下氨酰基-tRNA生物合成、丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸代谢、半乳糖代谢、氰氨基酸代谢、氮代谢和甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢6条途径包含代谢物较多（p＜0.05）。这些途径涉及到的主要是氨基酸代谢、有机酸代谢和糖代谢过程，以及苯丙氨酸代谢途径的物质。
本文通过GC-MS、UPLC-Q-TOF-MS和HPLC三种技术对镉胁迫下水稻进行了代谢组学研究，共67种代谢物进行了定性分析，并富集到相应的代谢通路中。研究结果表明，水稻在镉胁迫下可能是通提高氨基酸代谢、有机酸代谢和糖代谢中相关物质含量，进而改变糖酵解途径、TCA和由莽草酸途径衍生的苯丙酸类代谢过程，以提高自身抗镉性，但随着镉胁迫浓度的增加，水稻可能主要是通过提高糖含量来提高耐镉性或是促进大量酚类物的合成以抵御镉毒害造成的氧化损伤。