キュウリ（Cucumis sativus L.）の葉のポリスチレンナノプラスチック汚染に対する生理的応答

Physiological response of cucumber (Cucumis sativus L.) leaves to polystyrene nanoplastics pollution.

• Zhenxia Li
• Ruijing Li
• Qingfei Li
• Junguo Zhou
• Guangyin Wang

抄録

農地におけるマイクロプラスチック汚染が大きな問題となっている。しかし、マイクロプラスチックの高等植物への影響を評価した研究は少ない。本研究では、4種類の粒子径（100、300、500、700nm）の異なるポリスチレンナノプラスチック（PSNPs、50mgL）がキュウリの葉の生理的・生化学的指標に及ぼす影響を調べた。キュウリ植物のバイオマスは、300nmのPSNPに曝露した後、有意に減少した。同様に、キュウリの葉のクロロフィルa,クロロフィルb,可溶性糖,カロテノイド,プロリン含量及び蛍光は、100nmのPSNPを照射することで有意に減少した。700nmのPSNPを照射したキュウリの葉では、マロンジアルデヒド、プロリン、ペルオキシダーゼ遺伝子の発現と酵素活性、過酸化水素含量が有意に増加した。また、PSNPの粒子径を大きくすると、主要な抗酸化酵素であるスーパーオキシドディスムターゼとカタラーゼの相対的な発現量と活性が低下し、ビタミンCと可溶性タンパク質の含有量が有意に増加した。以上の結果から、PSNPはキュウリの葉の光合成、抗酸化、糖代謝系に影響を与え、後者はキュウリ植物の総バイオマスに明らかに影響を与えていることが示唆された。また、キュウリ葉のPSNPが分解されて生じるベンゼン環が、クロロフィル代謝や糖代謝に影響を与える主な要因である可能性が示唆された。これらの知見は、土壌植物系におけるPSNPs曝露のリスク評価のための科学的根拠を提供するものである。

Microplastics pollution in farmlands has become a major concern. However, few studies have assessed the effects of microplastics on higher plants. In this study, we investigated the influence of polystyrene nanoplastics (PSNPs, 50 mg L), with four different particle sizes (100, 300, 500, and 700 nm), on the physiological and biochemical indexes of cucumber leaves. The biomass of cucumber plants significantly decreased after exposure to 300 nm PSNPs. Similarly, the chlorophyll a, chlorophyll b, soluble sugar, carotenoid, and proline content, as well as the fluorescence of cucumber leaves were significantly reduced by 100 nm PSNPs. Malondialdehyde, proline, peroxidase gene expression and enzyme activity, and hydrogen peroxide content significantly increased in cucumber leaves exposed to 700 nm PSNPs. In addition, increasing PSNPs particle size led to decreased relative expression levels and activities of the major antioxidant enzymes superoxide dismutase and catalase, while vitamin C and soluble protein content significantly increased. Overall, our results indicated that PSNPs affect the photosynthetic, antioxidant, and sugar metabolism systems of cucumber leaves, with the latter clearly affecting the total biomass of cucumber plants. The benzene ring resulting from the degradation of PSNPs in cucumber leaves may be the main factor affecting chlorophyll metabolism and sugar metabolism. Our findings provide a scientific basis for the risk assessment of PSNPs exposure in soil-plant systems.

Published by Elsevier Ltd.