Photoaging Exacerbates Nanoplastic Phytotoxicity and Differentially Activates Defense Mechanisms in Wild versus Cultivated Maize

光老化 植物毒性 化学 类黄酮 花青素 驯化 生物 氧化应激 植物生理学 野生型 毒性 植物 基因 下调和上调 突变体 抗氧化剂 褐变 细胞生物学 活性氧 食品科学 新陈代谢 氧化磷酸化 类黄酮生物合成 拟南芥 光防护 生长抑制 生物化学
作者
Zhenggao Xiao,Yuhuan Wang,Huimin Liao,Chuanxi Wang,Feng He,Zhenyu Wang,Baoshan Xing,Zhenggao Xiao,Yuhuan Wang,Huimin Liao,Chuanxi Wang,Feng He,Zhenyu Wang,Baoshan Xing
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (46): 25032-25043
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c13121
摘要

The environmental aging of plastics into nanoplastics (NPs) poses an emerging threat to global food security. However, how photoaging modulates phytotoxicity in crops relative to their wild ancestors remains unknown. Here, we addressed this gap by comparing the phytotoxicity of pristine and photoaged polystyrene nanoplastics (nPS and nAPS) in cultivated maize (Zea mays) and its wild progenitor (Z. mays ssp. Mexicana), by elucidating the underlying metabolic and molecular mechanisms. We found that photoaging functions as a toxicity multiplier, inducing significantly greater oxidative damage and growth inhibition compared with the pristine nPS. This detrimental effect was markedly amplified in cultivated maize. Multiomics analysis identified the suppression of flavonoid and carbohydrate metabolism as the core mechanism for the increased susceptibility of cultivated maize. Specifically, in cultivated maize, nAPS exposure significantly down-regulated key metabolites (e.g., apigenin, chlorogenic acid, α,α-trehalose) and their biosynthetic genes (e.g., CYP73A, CYP75B1, and CHI) compared to pristine nPS treatment. In contrast, wild maize demonstrated greater resilience, characterized by higher basal transcriptional levels and a strong coordinated upregulation of gene expression in these defense pathways. Our findings reveal that domesticated crops are more vulnerable to photoaged nanoplastics, making the reintroduction of tolerance traits from wild relatives essential for breeding plastic pollution-resilient crops and securing food security.
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