Toksyczny wpływ sulfametoksazolu (SMX) na wzrost i metabolizm pszenicy

Czy SMX osłabia wzrost pszenicy?

W przeprowadzonym badaniu eksperymentalnym analizowano wpływ sulfametoksazolu (SMX) na wzrost i metabolizm pszenicy (Triticum aestivum). Badanie to koncentrowało się na ocenie toksyczności SMX poprzez analizę parametrów wzrostu, biomarkerów stresu oksydacyjnego oraz profili metabolicznych roślin poddanych działaniu różnych stężeń tego antybiotyku.

Badaną populację stanowiły sadzonki pszenicy (Triticum aestivum L.), które po sterylizacji powierzchniowej nasion w 2% H₂O₂ były eksponowane na roztwory SMX w stężeniach 0 (kontrola), 1, 10 i 100 mg/L. Eksperyment prowadzono w kontrolowanych warunkach przez 5 dni, z zachowaniem cyklu 16/8 godzin światła/ciemności oraz odpowiedniej temperatury i wilgotności.

Jakie efekty toksyczności wykazuje SMX?

Wyniki badania wykazały, że SMX wykazuje znaczący hamujący wpływ na wzrost pszenicy, który nasilał się wraz ze wzrostem stężenia antybiotyku. Zaobserwowano istotne zmniejszenie długości pędów, długości korzeni, świeżej masy pędów i korzeni w porównaniu z grupą kontrolną. Przy najwyższym stężeniu SMX (100 mg/L) długość pędów zmniejszyła się o 79,56%, długość korzeni o 81,99%, świeża masa pędów o 69,86%, a świeża masa korzeni o 84,06%. Dodatkowo SMX spowodował znaczącą redukcję zawartości chlorofilu (10,56-91,20%) oraz karotenoidów (14,86-87,97%) w pędach, co wskazuje na zaburzenia procesu fotosyntezy.

Analiza stresu oksydacyjnego wykazała dramatyczny wzrost poziomu reaktywnych form tlenu (ROS) w korzeniach roślin traktowanych SMX. Poziom ROS w przypadku stężeń 1, 10 i 100 mg/L był odpowiednio 15,81, 137,30 i 253,36 razy wyższy niż w grupie kontrolnej. Wcześniejsze badania wykazały, że chloroplasty są głównym miejscem wytwarzania ROS w roślinach, głównie z powodu podwyższonego poziomu tlenu związanego z aktywnością fotosyntetyczną. Wyniki eksperymentu potwierdziły, że zawartość chlorofilu w roślinach traktowanych SMX była znacząco niższa, a stymulacja syntezy ROS w korzeniach sugeruje, że ROS mogą być generowane również przez szlaki niezwiązane z chloroplastami, np. poprzez kanały mitochondrialne lub poprzez zwiększoną ekspresję genu NOX4.

W odpowiedzi na stres oksydacyjny zaobserwowano zwiększoną aktywność enzymów antyoksydacyjnych. Aktywność dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) wzrosła o 22,85%, 35,50% i 56,39%, peroksydazy (POD) wzrosła 1,28, 2,46 i 2,69 razy, a katalazy (CAT) zwiększyła się 1,30, 1,66 i 2,31 razy w porównaniu z kontrolą dla odpowiednich stężeń SMX. SOD jako kluczowy enzym w systemie obrony antyoksydacyjnej roślin odgrywa istotną rolę w usuwaniu ROS, katalizując dysproporcjonowanie anionu ponadtlenkowego (O²⁻) i przekształcając go w nadtlenek wodoru (H₂O₂) i tlen (O²). POD pełni kluczową funkcję w odpowiedziach obronnych roślin poprzez regulację biosyntezy ligniny, produkcji etylenu i degradacji kwasu indolilo-3-octowego (IAA) w odpowiedzi na infekcję patogenami i uszkodzenia mechaniczne. CAT efektywnie zmniejsza toksyczne działanie ROS poprzez katalityczny rozkład H₂O₂ do H₂O i O².

Jak SMX zaburza profile metaboliczne roślin?

Profilowanie metabolomiczne ujawniło znaczące zmiany w profilach metabolicznych korzeni pszenicy pod wpływem SMX. Zidentyfikowano 58 metabolitów, z których wiele wykazywało istotne zmiany w odpowiedzi na ekspozycję na antybiotyk. Analiza hierarchiczna sklasyfikowała profile metaboliczne w dwa odrębne klastry: (1) kontrola i traktowanie 1 mg/L SMX oraz (2) traktowanie 10 mg/L i 100 mg/L SMX, co sugeruje zależną od dawki zmianę metaboliczną. Diagram Venna wykazał 37 wspólnych komponentów między wszystkimi grupami eksperymentalnymi, przy czym grupy kontrolna i 100 mg/L miały po 4 unikalne komponenty.

Analiza metodą zmiennej ważności w projekcji (VIP) wykazała, że 33 metabolity o wartościach VIP >1 wykazywały znaczące związki ze zmianami świeżej masy korzeni, podkreślając ich potencjalną rolę jako kluczowych regulatorów zahamowania wzrostu wywołanego przez SMX. Wśród nich 13 metabolitów, takich jak laktoza, mio-inozytol, ksyloza i alloza, miało znaczący pozytywny wpływ na świeżą masę korzeni, podczas gdy 20 metabolitów, w tym sacharoza, glukoza, seryna i arabinopironoza, wykazywało znaczący negatywny wpływ.

Dalsza analiza wykazała, że 24, 29, 33, 35 i 25 metabolitów miało istotny wpływ odpowiednio na poziom ROS, długość korzeni, aktywność SOD, aktywność POD i aktywność CAT. Im wyższa korelacja między metabolitami a badanymi parametrami, tym wyższe były odpowiadające im wartości VIP. Metabolity wykazujące korelacje pozytywne miały dodatnie współczynniki, podczas gdy te z korelacjami negatywnymi wykazywały współczynniki ujemne. Na przykład glukoza wykazywała silne negatywne korelacje ze świeżą masą korzeni (korelacja: -0,946, VIP: 1,44776, współczynnik: -0,03638) i długością korzeni (korelacja: -0,975, VIP: 1,43377, współczynnik: -0,0358), a jednocześnie silne pozytywne korelacje z poziomem ROS i aktywnością enzymów antyoksydacyjnych.

Analiza szlaków metabolicznych wykazała, że SMX istotnie wpływał na 8, 13 i 15 szlaków metabolicznych w korzeniach pszenicy przy stężeniach odpowiednio 1, 10 i 100 mg/L. Najbardziej dotknięte szlaki obejmowały: biosyntezę argininy; metabolizm galaktozy; metabolizm glicyny, seryny i treoniny; metabolizm kwasu szczawiooctowego i kwasów dikarboksylowych; oraz metabolizm skrobi i sacharozy. Kompleksowe profilowanie metaboliczne wykazało, że zmiany w metabolizmie aminokwasów wywołane przez SMX były silnie związane zarówno z hamowaniem wzrostu korzeni, jak i akumulacją ROS.

Jakie konsekwencje wynikają z obecności SMX w środowisku?

SMX wykazuje umiarkowaną trwałość w środowisku, a jego tempo degradacji zależy od czynników takich jak pH, zawartość materii organicznej i aktywność mikrobiologiczna. Długotrwała ekspozycja na SMX wzbogaca geny oporności na antybiotyki (ARG) w mikrobiomach gleby, przyczyniając się do rozprzestrzeniania bakterii wielolekoopornych. Przenoszenie SMX i ARG do łańcucha pokarmowego poprzez zanieczyszczone uprawy lub wodę budzi obawy o zdrowie publiczne. Dodatkowo, erozja usług ekosystemowych gleby może zagrozić zrównoważonemu rolnictwu.

Badanie to systematycznie wyjaśnia fitotoksyczne działanie SMX na pszenicę, ustanawiając krytyczne powiązania między zaburzeniami metabolicznymi a odpowiedziami fenotypowymi. Zidentyfikowano wrażliwe na SMX szlaki metaboliczne oraz określono ich funkcjonalne powiązania z kluczowymi parametrami wzrostu i wskaźnikami stresu oksydacyjnego. Wyniki sugerują, że SMX wywiera swoje działanie poprzez wpływ na wiele szlaków metabolicznych, co prowadzi do zaburzenia podstawowych procesów biochemicznych w organizmach wrażliwych.

Warto zauważyć, że metabolity negatywnie skorelowane z poziomem ROS i aktywnością SOD, POD i CAT były pozytywnie skorelowane ze świeżą masą korzeni i długością korzeni. Inne metabolity mogły mieć niekorzystny wpływ na świeżą masę korzeni i długość korzeni poprzez zwiększanie poziomu ROS i aktywności SOD, POD i CAT. Badanie to pogłębia nasze zrozumienie mechanizmów odpowiedzi metabolicznych związanych z toksycznością antybiotyków i ustanawia związek między zmianami metabolitów korzeni a biologicznymi punktami końcowymi.

Podsumowanie

Przeprowadzone badanie eksperymentalne wykazało, że sulfametoksazol (SMX) ma istotny negatywny wpływ na wzrost i metabolizm pszenicy. Przy najwyższym stężeniu SMX (100 mg/L) zaobserwowano znaczące zmniejszenie długości pędów o 79,56% i korzeni o 81,99% oraz redukcję zawartości chlorofilu do 91,20%. Antybiotyk powoduje dramatyczny wzrost poziomu reaktywnych form tlenu w korzeniach, prowadząc do stresu oksydacyjnego. W odpowiedzi na stres zaobserwowano zwiększoną aktywność enzymów antyoksydacyjnych. Profilowanie metabolomiczne ujawniło znaczące zmiany w profilach metabolicznych korzeni pszenicy, identyfikując 58 metabolitów o różnym wpływie na wzrost rośliny. SMX wpływał na kluczowe szlaki metaboliczne, w tym biosyntezę argininy i metabolizm galaktozy. Obecność SMX w środowisku może prowadzić do rozwoju oporności na antybiotyki w mikrobiomach gleby oraz zagrażać zrównoważonemu rolnictwu.