PCE & ECE | 从膜损伤到根系屏障：山东农业大学揭示植物微塑料毒性与抗性机制

微塑料已成为农业生态系统中备受关注的新污染物。越来越多的研究表明，微塑料能够进入植物体内并影响植物生长，但两个基础问题仍有待深入回答：进入植物体内的微塑料究竟如何造成损伤？面对微塑料胁迫，为什么不同植物材料又表现出明显不同的耐受和积累能力？

近日，山东农业大学植保学院烟草刘朋/杨龙团队与园艺科学与工程学院史庆华团队围绕上述问题取得连续进展。一项研究以 From membrane damage to growth inhibition: The central role of photosynthetic redox homeostasis in nanoplastic toxicity to tomato发表于 Environmental Chemistry and Ecotoxicology ，从膜结构损伤出发，揭示了纳米塑料影响植物光合作用并最终抑制生长的连续毒性过程；另一项研究 Apoplastic Barrier Remodeling Is Associated with Genotype-Dependent Microplastic Accumulation in Tomato Roots发表于 Plant, Cell & Environment，进一步揭示了根系质外体屏障相关的细胞壁重塑与不同基因型微塑料积累差异之间的关系。两项研究分别从“微塑料怎样造成损伤”和“植物怎样降低损伤与积累”两个层面，构建了从毒性发生到植物防御的机制链条。

纳米塑料如何伤害植物？从膜结构破坏开始

光合作用是植物维持生长和物质积累的核心过程，也是微塑料胁迫下最为敏感的生理过程之一。然而，已有研究更多观察到了光合速率下降、叶绿体结构受损以及氧化胁迫等“结果”，纳米塑料最初如何与植物细胞膜系统发生作用，并进一步触发光合损伤，长期缺乏动态的机制解释。

针对这一问题，研究团队选择了两个纳米塑料积累水平相近、但耐受能力明显不同的番茄品种进行比较。结果发现，尽管两个品种体内纳米塑料积累量相近，其生长和光合响应却存在明显差异：耐受材料能够保持较好的光合功能，而敏感材料则表现出明显的光合抑制和生长受阻。由此表明，植物受到多大程度的伤害，并不能简单由“吸收了多少微塑料”决定。

进一步研究将毒性发生过程追溯到了膜结构层面。团队利用分子动力学模拟技术，首次动态还原了聚苯乙烯纳米塑料进入并扰动膜结构的过程。模拟结果显示，聚苯乙烯首先与磷脂双层发生接触和锚定，随后逐渐插入膜内部，挤压周围磷脂分子并造成局部膜结构变形；这一过程中还伴随着异常的跨膜水分子迁移，表明膜的屏障完整性受到破坏。

图1：分子动力学模拟纳米塑料插入脂质双层的动态过程

在膜结构受到扰动之后，损伤进一步向光合系统传递。研究发现，纳米塑料可导致光合电子传递受扰，诱导活性氧（ROS）过量积累，并进一步引起膜脂过氧化、叶绿体结构破坏和光合效率下降，最终表现为植物生长受抑。据此，研究提出了较为完整的纳米塑料植物毒性机制链条：纳米塑料插入并扰动膜结构 → 光合电子传递受损 → ROS过量积累 → 膜脂过氧化 → 光合系统损伤 → 生长抑制。这一结果将植物微塑料毒性研究从对生理损伤终点的描述，进一步推进到了纳米尺度下污染物—膜相互作用的起始过程，为理解纳米塑料如何引发植物细胞损伤提供了新的机制依据。

植物还能不能从源头上“少吸一点”？

与植物内部耐受能力相比，更前端的一道防线，是在微塑料进入植物体内之前尽可能限制其吸收。

发表于 Plant, Cell & Environment 的研究正是从这一角度展开。团队选择了微塑料高积累番茄材料Ailsa Craig（AC）和低积累材料M82进行比较，发现两种材料在尚未充分分化的根尖区域，微塑料积累差异并不明显；但随着根组织逐渐发育，这种差异不断扩大，并在根成熟区表现得最为突出。这一空间变化指向了一个关键结构——根系质外体屏障。根尖尚未成熟时，相关屏障结构并未充分形成，因此不同基因型间差异较小；随着根系成熟，内皮层及细胞壁相关屏障逐渐建立，不同基因型的结构差异也开始影响微塑料的径向迁移和积累。

进一步分析发现，低积累材料M82在微塑料胁迫下表现出更明显的细胞壁重塑特征，其木质素、纤维素、半纤维素和果胶等主要细胞壁组分增加，同时伴随细胞壁增厚。这些变化与其较低的微塑料积累密切相关。

图2：根成熟区微塑料分布及细胞壁变化

这项研究表明，植物自身的根系结构特征可能是决定微塑料积累差异的重要因素之一。与“进入植物后依靠氧化还原系统抵御损伤”不同，根系质外体屏障代表的是更加前端的结构防御——通过改变细胞壁及屏障相关性状，降低微塑料在植物体内的积累。

从细胞膜到叶绿体，从根系屏障到植物整体生长，两项研究共同拓展了植物微塑料研究从“检测到污染物”向“理解污染物如何造成损伤以及植物如何形成防御”的机制研究框架，也为未来开展低微塑料积累和高耐受植物材料筛选提供了新的理论依据。

刘朋、Jason C. White和史庆华为共同通讯作者，杨龙教授参与研究。两项研究由山东农业大学植保学院和园艺学院联合开展，并与荷兰莱顿大学、美国康涅狄格农业试验站等科研机构合作完成。相关研究得到山东省蔬菜产业技术体系和山东省现代农业产业技术体系等项目支持。