Comparative Physiological and Transcriptomic Analyses Reveal the Toxic Effects of ZnO Nanoparticles on Plant Growth

转录组 延伸率 分生组织 化学 细胞生物学 生长抑制 生物物理学 生物 细胞生长 毒性 生物化学 材料科学 基因表达 基因 极限抗拉强度 有机化学 冶金
作者
Jinpeng Wan,Ruting Wang,Ruling Wang,Qiong Ju,Yibo Wang,Jin Xu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:53 (8): 4235-4244 被引量:103
标识
DOI:10.1021/acs.est.8b06641
摘要

Zinc oxide (ZnO) nanoparticles (nZnO) are among the most commonly used nanoparticles (NPs), and they have been shown to have harmful effects on plants. However, the molecular mechanisms underlying nZnO tolerance and root sensing of NP stresses have not been elucidated. Here, we compared the differential toxic effects of nZnO and Zn2+ toxicity on plants during exposure and recovery using a combination of transcriptomic and physiological analyses. Although both nZnO and Zn2+ inhibited primary root (PR) growth, nZnO had a stronger inhibitory effect on the growth of elongation zones, whereas Zn2+ toxicity had a stronger toxic effect on meristem cells. Timely recovery from stresses is critical for plant survival. Despite the stronger inhibitory effect of nZnO on PR growth, nZnO-exposed plants recovered from stress more rapidly than Zn2+-exposed plants upon transfer to normal conditions, and transcriptome data supported these results. In contrast to Zn2+ toxicity, nZnO induced endocytosis and caused microfilament rearrangement in the epidermal cells of elongation zones, thereby repressing PR growth. nZnO also repressed PR growth by disrupting cell wall organization and structure through both physical interactions and transcriptional regulation. The present study provides new insight into the comprehensive understanding and re-evaluation of NP toxicity in plants.
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