JHM | 河南农业大学: 脱落酸通过减轻抗生素的植物毒性以及降低抗生素及其抗性基因的水平,使黄瓜具备对抗抗生素胁迫的能力
抗生素污染环境对作物生长和人类健康构成严重威胁。然而，基于植物内源信号响应以缓解抗生素胁迫的有效策略尚不明确。本研究发现，1 mg·L⁻¹浓度的环丙沙星（CIP）与四环素（TC）对黄瓜幼苗的毒害作用强于盐酸林可霉素、磺胺醋酰、甲砜霉素及泰乐菌素。重要的是，CIP与TC均能诱导脱落酸（ABA）积累并上调ABA相关基因的表达。反之，外源喷施ABA能以剂量依赖方式缓解抗生素引起的生长抑制、光合作用受阻及氧化应激，其中20 µM为最有效浓度。此外，ABA抑制了与抗生素吸收相关的V-ATP酶和V-PP酶活性，进而使CIP和TC在黄瓜根部和地上部的积累量分别下降41.3%与58.0%、62.8%与85.4%。最后，CIP与TC促进了抗生素抗性基因（ARGs）的积累，而ABA显著降低了目标ARGs（如qnrD、tetG-02、teR-02）、可移动遗传元件（MGEs）（如cIntI-1(class1)、intI1）以及潜在宿主细菌（如假单胞菌属、芽孢杆菌属、诺卡氏菌属）在属水平上的相对丰度。网络分析与结构方程模型表明，细菌群落和MGEs是影响ARGs丰度的关键因素。综上，本研究表明ABA通过减轻抗生素植物毒性、降低抗生素及ARGs水平，赋予黄瓜植株抗生素胁迫耐受性，为缓解土壤-植物系统中的抗生素污染提供了一种新颖有效的策略。(1) 环丙沙星（CIP）与四环素（TC）均能诱导黄瓜体内脱落酸（ABA）积累。
(2) 外源施用ABA可缓解抗生素引起的生长抑制、光合作用受阻及氧化应激。(3) ABA有效降低了抗生素（CIP与TC）在植株体内的积累，并减少了目标抗生素抗性基因（如qnrD、tetG-02及teR-02）的丰度。
(4) ABA在属水平上显著降低了可移动遗传元件（如cIntI-1(class1)和intI1）及潜在宿主细菌（如假单胞菌属、芽孢杆菌属和诺卡氏菌属）的丰度。
篇名: Abscisic acid confers antibiotic stress tolerance in cucumber by alleviating antibiotic phytotoxicity and decreasing the levels of antibiotic and antibiotic resistance genes期刊: Journal of Hazardous MaterialsDOI: 10.1016/j.jhazmat.2026.141060本研究以黄瓜（‘津研4号’）为材料，采用水培与土培体系。首先评估了1 mg/L浓度下6种抗生素（环丙沙星CIP、盐酸林可霉素LH、磺胺醋酰SFA、四环素TC、甲砜霉素TP、泰乐菌素TYL）对黄瓜生长及光合作用的影响。随后，聚焦CIP和TC，分析了其对内源激素谱及相关基因表达的影响，并探究了外源ABA（0–80 µM，叶面喷施）缓解抗生素毒性的效果。进一步，在20 µM ABA预处理下，检测了抗生素胁迫下根系构型、抗氧化系统（H₂O₂、O₂.–染色及CAT等酶活）、液泡膜V-ATPase/V-PPase活性以及植株内抗生素积累量。此外，通过盆栽实验，采用16S rRNA高通量测序和HT-qPCR技术，分析了ABA处理对根际土壤细菌群落及抗生素抗性基因（ARGs）和可移动遗传元件（MGEs）丰度的影响。数据采用ANOVA及Tukey检验进行统计分析，并利用结构方程模型（SEM）和网络分析揭示变量间关系。(1) CIP与TC对黄瓜幼苗的毒性效应强于LH、SFA、TP与TYL不同抗生素对作物生长的毒性是否存在差异？研究通过水培试验，评估了六种常见抗生素对黄瓜幼苗生长和光合作用的毒性效应。显著的生长与光合抑制：在1 mg·L⁻¹浓度下暴露7天后，六种抗生素（环丙沙星CIP、盐酸林可霉素LH、磺胺醋酰SFA、四环素TC、甲砜霉素TP、泰乐菌素TYL）均显著抑制了黄瓜幼苗的生长，其中CIP和TC的抑制作用最为突出。与对照组（CK）相比，CIP和TC胁迫下幼苗的鲜重分别下降了49.56%和48.85%，叶绿素含量分别降低了56.83%和50.98%。叶片表型观察显示，CIP处理导致叶片叶脉严重黄化，而TC处理则引起叶片均匀黄化。光合系统II与净光合速率受损：CIP与TC对光合系统的抑制也最为严重。两种抗生素显著降低了最大光化学效率（Fv/Fm），降幅分别为39.94%和27.86%；同时，净光合速率（Pn）也分别下降了46.73%和44.70%。综合各项指标，六种抗生素的毒性强度排序为：CIP ≈ TC > SFA > TYL > TP > LH。基于此，后续研究选定CIP和TC作为代表性抗生素胁迫因子。图1：六种选定抗生素对黄瓜幼苗生长和光合作用的影响。 (A) 黄瓜幼苗的生长表型。(B) 和(D) 叶片表型及叶绿素含量（SPAD值）。(C) 和 (E) 叶片Fv/Fm成像及其数值。(F)黄瓜叶片的净光合速率。(G) 整株鲜重。黄瓜幼苗在含或不含1 mg/L CIP、LH、SFA、TC、TP和TYL的Hoagland营养液中分别培养七天。数值为平均值 ± 标准差，n = 3（生物学重复），P < 0.05 (Tukey检验)。(2) CIP与TC诱导黄瓜内源ABA积累及其合成与信号基因上调抗生素胁迫如何影响植物内源激素平衡？研究聚焦于CIP和TC对黄瓜幼苗多种激素水平的影响，并深入探究了其中关键激素的信号响应。特异性诱导ABA积累：激素谱分析发现，CIP和TC处理1天后，对黄瓜根系和叶片中的多种激素（如IAA、JA、SA等）影响各异，但共同且显著地诱导了脱落酸（ABA）的积累。与CK相比，CIP和TC处理下根系ABA含量分别增加了35.2%和50.8%，叶片ABA含量增幅更高，分别达41.9%和73.5%。这表明ABA是响应CIP和TC胁迫的关键激素信号。ABA合成与信号通路基因同步激活：为验证ABA积累的分子基础，研究检测了ABA生物合成关键基因（NCED1， NCED2， ABA1， ABA2， AAO3）及信号通路基因ABI5的表达。结果显示，在CIP和TC胁迫下，黄瓜根系和叶片中这些基因的转录水平均被显著上调。例如，在根系中，相关基因表达量提升了1.90-3.87倍；在叶片中，除ABA2外，其他基因表达量也显著增加了90.2%-456.9%。激素定量与基因表达结果相互印证，证实CIP和TC胁迫特异性地激活了黄瓜植株的ABA合成与信号传导途径。图2：抗生素CIP和TC对黄瓜幼苗植物激素水平的影响。 (A) 和 (B) 热图显示在抗生素CIP和TC胁迫1天后黄瓜根系和叶片中激素相对水平的变化。(C) 和 (D) 在抗生素CIP和TC胁迫1天后，黄瓜植株根系和叶片中ABA代谢相关基因的相对表达水平。数值为平均值，n = 3（生物学重复）。(3) 外源喷施ABA以剂量依赖方式缓解抗生素引起的生长与光合抑制既然内源ABA在抗生素胁迫下积累，那么外源补充ABA能否增强植物的耐受性？研究通过外源喷施不同浓度ABA，评估了其在缓解CIP和TC毒性中的作用。20 µM ABA为最适缓解浓度：在含1 mg·L⁻¹CIP或TC的营养液中，对黄瓜幼苗喷施不同浓度ABA（0， 10， 20， 40， 80 µM）。结果显示，ABA的缓解效果呈剂量依赖关系。其中，20 µM ABA对缓解两种抗生素胁迫的效果最为显著，能最大程度地减轻生长抑制，并提高叶绿素含量（SPAD值）、Fv/Fm值和植株鲜重。浓度过低（10 µM）或过高（40 µM）效果减弱，而80 µM ABA甚至会加剧抗生素引起的生长抑制。在盆栽试验中也验证了20 µM ABA的有效性。显著改善根系构型：抗生素胁迫严重破坏了黄瓜的根系发育，而外源ABA处理能显著改善根系构型。与单一CIP或TC胁迫相比，“ABA+抗生素”处理使总根体积、总根表面积、总根长和根尖数分别显著增加了18.82%-40.09%。这表明，ABA通过促进根系生长，增强了植株在胁迫条件下的养分吸收和固着能力。图3：外源ABA浓度处理对抗生素CIP和TC胁迫下黄瓜幼苗生长和光合作用的影响。 (A) 和 (B) 黄瓜幼苗生长表型。(C)和 (D) 抗生素CIP和TC胁迫下黄瓜叶片Fv/Fm成像及其数值。(E) 和 (F) 叶绿素含量（SPAD值）。(G) 和 (H) 整株鲜重。经不同浓度外源ABA处理或未处理的黄瓜幼苗，在含或不含1 mg L⁻¹ CIP和TC的Hoagland营养液中分别培养七天。数值为平均值 ± 标准差，n = 3（生物学重复），P < 0.05 (Tukey检验)。图4：外源ABA对抗生素CIP和TC胁迫下黄瓜根系构型的影响。(A) 在正常和抗生素胁迫条件下，经外源ABA处理或未处理的黄瓜幼苗根系扫描图。(B) 总根长。(C) 根尖数。(D) 总根体积。(E) 总根表面积。经外源ABA处理或未处理的黄瓜幼苗，在含或不含1 mg L⁻¹ CIP和TC的Hoagland营养液中分别培养七天。数值为平均值 ± 标准差，n = 3（生物学重复），P < 0.05 (Tukey检验)。(4) ABA通过调控ROS水平与抗氧化系统缓解抗生素诱导的氧化应激ABA缓解抗生素毒性的生理机制是什么？研究假设这与其增强活性氧（ROS）清除能力有关，并对此进行了验证。有效降低ROS积累：组织化学染色（DAB染色检测H₂O₂， NBT染色检测O₂˙⁻）显示，CIP和TC胁迫导致黄瓜叶片和根部ROS大量积累（染色加深），而外源ABA处理显著减弱了这种染色强度，表明ABA能有效减轻抗生素引发的氧化胁迫。激活抗氧化酶系统：在生理水平上，CIP和TC胁迫提高了黄瓜根系中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性。而外源ABA处理在抗生素胁迫基础上，进一步显著提升了这四种抗氧化酶的活性。在分子水平上，CIP和TC胁迫上调了相关抗氧化酶基因的转录，而ABA处理则更大幅度地上调了这些基因的表达。这些结果共同表明，ABA通过转录和酶活两个层面协同增强抗氧化防御系统，从而清除过量的ROS，保护细胞免受氧化损伤。图5：外源ABA对抗生素CIP和TC胁迫下黄瓜幼苗ROS积累及抗氧化酶活性和基因表达的影响。 (A) 和 (C) 叶片和根部H₂O₂的3，3-二氨基联苯胺（DAB）组织化学染色。比例尺=500 µm。(B) 和 (D) 叶片和根部O₂˙⁻的氮蓝四唑（NBT）组织化学染色。比例尺=500 µm。(E) 和 (F) APX的活性和mRNA表达。(G) 和 (H) CAT的活性和mRNA表达。(I)和 (J) POD的活性和mRNA表达。(K) 和 (L) SOD的活性和mRNA表达。经外源ABA处理或未处理的黄瓜幼苗，在含或不含1 mg/L CIP和TC的Hoagland营养液中分别培养七天。数值为平均值 ± 标准差，n = 3（生物学重复），P < 0.05 (Tukey检验)。(5) ABA通过抑制V-ATPase和V-PPase活性减少抗生素吸收除了增强耐受性，ABA能否影响植物对抗生素的吸收？研究从与吸收相关的质子泵活性入手，探讨了ABA减少抗生素积累的潜在机制。抑制关键质子泵的活性与表达：液泡膜H⁺-ATP酶（V-ATPase）和H⁺-焦磷酸酶（V-PPase）产生的质子驱动力是驱动许多物质跨膜运输（包括部分抗生素）的关键。研究发现，CIP和TC胁迫本身会诱导黄瓜根系中V-ATPase和V-PPase的酶活性及其编码基因（VHA-c2和VHP1;1）表达上调。然而，外源ABA处理逆转了这种上调趋势。与单一抗生素胁迫相比，“ABA+抗生素”处理使V-ATPase和V-PPase的酶活性显著降低了17.95%-26.17%，相关基因的表达量也显著下降了28.36%-52.88%。这表明ABA能够抑制根系细胞中与抗生素吸收相关的质子泵功能。图6：外源ABA对抗生素CIP和TC胁迫下黄瓜根系中V-ATPase和V-PPase活性及基因表达的影响。 (A) V-ATPase活性。(B) V-PPase活性。(C) V-ATPase编码基因VHA-c2的表达。(D) V-PPase编码基因VHP1;1的表达。经外源ABA处理或未处理的黄瓜幼苗，在含或不含1 mg L⁻¹ CIP和TC的Hoagland营养液中分别培养七天。数值为平均值 ± 标准差，n = 3（生物学重复），P < 0.05 (Tukey检验)。(6) ABA处理有效降低黄瓜体内CIP与TC的积累量ABA对质子泵的抑制作用是否最终导致抗生素在植物体内积累减少？研究通过测定黄瓜各部位抗生素含量，直接验证了这一假设。显著降低根与地上部抗生素浓度：与单一CIP胁迫相比，“ABA+CIP”处理使黄瓜地上部和根部的CIP含量分别显著降低了44.4%和41.3%。同样，“ABA+TC”处理使地上部和根部的TC含量分别大幅降低了85.4%和62.8%。同时，ABA处理也降低了抗生素从根向地上部的转运因子（TF），表明其同时抑制了吸收和转运。结构方程模型揭示因果关系：补充的结构方程模型（SEM）分析进一步支持了上述机制链：ABA处理对V-ATPase/V-PPase活性有显著负向效应，而这些酶活性对抗生素积累有显著正向效应。因此，ABA通过抑制质子泵活性，最终有效减少了黄瓜对CIP和TC的吸收与积累。图7：外源ABA对抗生素CIP和TC胁迫下黄瓜根和地上部中CIP和TC含量的影响。 (A) 和 (C) 地上部和根中的CIP含量。(B) 和 (D) 地上部和根中的TC含量。(E) 和 (F) CIP和TC的转运因子。经外源ABA处理或未处理的黄瓜幼苗，在含1 mg L⁻¹ CIP和TC的Hoagland营养液中培养七天。数值为平均值 ± 标准差，n = 3（生物学重复），P < 0.05 (Tukey检验)。(7) ABA处理有效降低土壤-黄瓜系统中抗生素抗性基因（ARGs）的丰度ABA在减少植物体内抗生素积累的同时，是否会影响环境中ARGs的传播风险？研究通过盆栽实验，系统分析了ABA对土壤-植物系统中ARGs、可移动遗传元件（MGEs）和细菌群落的影响。ABA降低根际与植物体内ARGs与MGEs丰度：在根际土壤、根和地上部均检测到目标ARGs（如qnrD， tetG-02，tetR-02）和MGEs（如cIntI-1(class1)， intI1）。CIP和TC胁迫显著提高了这些ARGs和MGEs在根际土壤和根中的相对丰度。然而，外源ABA处理显著逆转了这种增加趋势，降低了上述ARGs和MGEs的丰度。网络分析揭示MGEs是ARGs扩散的关键驱动因子：网络分析显示，大多数ARGs与MGEs之间存在显著的正相关关系，表明水平基因转移（HGT）是ARGs扩散的主要途径。ABA通过降低MGEs的丰度，从而削弱了HGT的潜力，这是其减少系统中ARGs丰度的重要机制。重塑根际细菌群落，减少潜在ARGs宿主：在属水平上，CIP和TC胁迫提高了根际土壤中假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、诺卡氏菌属（Nocardioides） 等细菌的相对丰度。网络分析表明，这些菌属与多种ARGs呈显著正相关，是潜在的ARGs宿主。ABA处理显著降低了这些潜在宿主菌的丰度，同时增加了与ARGs呈负相关的菌属（如MND1）的丰度。结构方程模型（SEM）进一步确认，ABA处理对细菌群落、MGEs丰度及ARGs丰度均有直接的负向影响。综上所述，ABA通过重塑根际微生物群落结构、降低MGEs丰度，进而有效减少了土壤-植物系统中ARGs的赋存与传播风险。图8：土壤-黄瓜系统中目标ARGs和MGEs相对丰度的热图 (A)以及ARGs与MGEs相关性的网络分析图 (B)。 节点大小代表连接节点的数量，边厚度表示关联强度（相关系数 > 0.65， P < 0.05）。绿色节点代表MGEs，红色节点代表ARGs。图9：根际土壤中前15位细菌属（属水平）相对丰度的热图 (A) 以及根际土壤中ARGs与潜在宿主细菌相关性的网络分析图 (B)。 节点大小代表连接节点的数量，边厚度表示关联强度（相关系数 > 0.65， P < 0.05）。蓝色节点代表细菌属，红色节点代表ARGs。橙色表示负相关，青色表示正相关。本研究明确了脱落酸（ABA）在增强黄瓜幼苗抗生素胁迫耐受性中的核心作用。相较于盐酸林可霉素（LH）、磺胺醋酰（SFA）、甲砜霉素（TP）和泰乐菌素（TYL），环丙沙星（CIP）与四环素（TC）对黄瓜幼苗的毒害作用更强，并激活了植株的ABA信号通路。一方面，外源施用ABA通过减轻生长与光合抑制、改善根系构型、增强抗氧化防御系统，有效缓解了抗生素的植物毒性。另一方面，ABA显著抑制了与抗生素吸收相关的V-PPase和V-ATPase活性，降低了抗生素在植株体内的累积，并减少了抗生素抗性基因的水平。本研究成果为缓解土壤抗生素污染提供了具有潜力的新策略。
10个月宝宝每天需要喝多少奶粉？
