摘要：● 本研究发现微塑料胁迫激活玉米的抗氧化系统并提高玉米的光合作用，通过转录组学和代谢组学联合分析表明；可生物降解和传统微塑料胁迫下，玉米的次级代谢物生物合成和碳水化合物代谢通路的基因和代谢物发生显著变化。地下部变化在介导玉米对微塑料胁迫的响应中起关键作用。

传统和可生物降解微塑料胁迫下玉米的转录组学和代谢组学响应

iMeta主页：http://www.imeta.science

研究论文

●

原文链接DOI: https://doi.org/10.1002/imo2.48

●2024年12月28日，中国农业大学汪杰课题组在iMetaOmics在线发表了题为“

Transcriptomic and Metabolomic Responses of Maize under Conventional and Biodegradable Microplastic Stress

● 本研究发现微塑料胁迫激活玉米的抗氧化系统并提高玉米的光合作用，通过转录组学和代谢组学联合分析表明；可生物降解和传统微塑料胁迫下，玉米的次级代谢物生物合成和碳水化合物代谢通路的基因和代谢物发生显著变化。地下部变化在介导玉米对微塑料胁迫的响应中起关键作用。

● 第一作者：孙源泽

● 通讯作者：汪杰（jiewangcau@cau.edu.cn）

● 合作作者：臧婧希、谢思媛、吴漠辰、陶建国、Tanveer M. Adyel、杜心宇、李思

● 主要单位：中国农业大学资源与环境学院、RMIT大学理学院、上海大学海洋科学宇生态环境学院

亮 点

● 可生物降解微塑料胁迫激活玉米抗氧化防御系统；

● 微塑料胁迫诱导植物激素信号转导和丝裂原活化蛋白激酶信号通路；

● 微塑料暴露导致土壤环境变量及微生物群落的改变介导玉米的胁迫响应。

摘 要

农田土壤微塑料的不断积累可能威胁作物的安全和质量。然而，有关传统和可生物降解微塑料对植物生长影响分子机制的研究仍然有限。本研究关注可生物降解聚丁二酸对苯二甲酸丁二醇酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸微塑料和传统不可生物降解聚乙烯和聚苯乙烯微塑料（1% [w/w]）对玉米（Zea mays L.）生长和生理特性的影响。此外，还研究了微塑料胁迫玉米的分子机制。微塑料胁迫会诱导玉米的抗氧化酶和抗氧化剂水平发生改变。可生物降解微塑料胁迫激活玉米的抗氧化系统，传统微塑料对玉米光合作用的影响更大。此外，代谢组学和转录组学分析表明，次生代谢产物的生物合成、光合作用、能量代谢和碳水化合物代谢的通路受可生物降解和传统微塑料的调控。微塑料胁迫诱导植物激素信号转导和丝裂原活化蛋白激酶信号通路改变。本研究结果还表明，微塑料可以通过改变土壤环境变量或改变土壤微生物群落来影响植物。本研究从分子水平上探讨了作物对微塑料胁迫的响应，研究结果加深了对可生物降解和传统微塑料生态风险的认知。

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全文解读

引 言

随着塑料生产和应用的日益广泛，新污染物微塑料（粒径

最近的研究开始关注微塑料胁迫对作物性能的影响。有研究报道PBAT和聚乙烯（PE）微塑料显著降低了水稻的株高和干重，并对地上部和根部造成氧化应激。Brown等发现生物基微塑料聚（3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯）（PHBV）对玉米玉米生长的影响呈剂量依赖性。然而，也有研究人员观察到了相反的结果，微塑料（PLA 和聚苯乙烯（PS））促进了花生的生长。这表明，目前对微塑料的植物毒性作用没有达成共识。这可能是由于微塑料在生理、生化和分子水平上对作物产生了不可见的潜在影响。因此，仅评估可见的植物毒性是不够的，研究微塑料胁迫作物基因表达调控机制的变化至关重要。此外，先前的研究表明，土壤群落组成的变化可能导致植物生物量、生理、遗传和代谢等特性的改变，目前尚不清楚微塑料介导土壤相关变化将如何影响植物特性。

玉米（Zea mays L.）是全球种植最广泛的粮食作物，玉米种植是发展中国家农民的重要收入来源。因此，本研究调查了玉米在微塑料胁迫下的初级生长指数、抗氧化活性和光合性能的变化。本研究选择了被广泛使用的生物基微塑料（包括PBAT、PBS和PLA）和石油基微塑料（包括PE和PS）。研究综合使用转录组学和代谢组学，阐明玉米对微塑料胁迫响应的潜在分子机制。此外，为了评估地下部变化是否会影响微塑料胁迫下玉米的地上部性能，研究对根际土壤中的微生物群落组成（16S rRNA测序）和溶解性有机质（三维荧光光谱）进行了分析。本研究全面探究了不同聚合物类型微塑料对作物生长的影响，研究结果提高了对塑料农业实践可持续性的认识。

结果与讨论

微塑料激活玉米抗氧化系统并提高光合作用

暴露于微塑料60天后，仅PBS微塑料显著降低了玉米的鲜重（27%）和茎粗（17%），而其他微塑料对玉米生长无显著影响（图 1A）。微塑料显著改变玉米的脂质过氧化产物（丙二醛（MDA））、抗氧化分子（谷胱甘肽（GSH）和抗坏血酸（ASA））、抗氧化酶（谷胱甘肽还原酶（GR）和过氧化氢酶（CAT））和非酶抗氧化剂（脱落酸（ABA））。三种可生物降解微塑料均提高了GR活性（2.64 - 4.33倍），而仅PBS提高了CAT的活性。此外，PBS和PLA微塑料显著增加了GSH、ASA和ABA的浓度。传统微塑料PE和PS提高玉米的MDA含量，这可能诱导氧化损伤。与对照组相比，PE和PS微塑料增加了叶绿素含量；而可生物降解微塑料对叶绿素含量没有显著影响。为了进一步探究微塑料对玉米不同表型的影响，研究对所有观测值进行了主成分分析（PCA）（图 1B）。结果表明，前两个主成分解释了总方差的51.3%。此外，传统和可生物降解微塑料处理沿PC1分离，表明生物基和石油基微塑料对玉米的生理影响存在差异。

图1. 玉米抗氧化防御系统和光合作用对微塑料的响应

（A）不同处理组玉米鲜重、高度、茎粗、谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽 （GSH）、谷胱甘肽S-转移酶（CAT）和抗坏血酸（ASA）活性以及丙二醛 （MDA）和脱落酸（ABA）含量；（B）不同微塑料处理下玉米生长参数的主成分分析（PCA）；（C）可生物降解微塑料处理组抗坏血酸-谷胱甘肽（ASA-GSH）循环示意图。

可生物降解和传统微塑料对玉米转录组的影响

研究通过KEGG注释进行了功能富集分析（图 2C），结果发现苯并恶嗪类生物合成、苯丙烷类生物合成和光合作用天线蛋白是玉米暴露于微塑料时最常见的响应通路。此外，倍半萜和三萜生物合成通路对PBAT处理有独特响应，而谷胱甘肽代谢通路和类胡萝卜素代谢通路分别对PBS和PLA微塑料有独特响应。这些观察结果可能表明，可生物降解微塑料显著诱导代谢相关通路改变。

苯并恶嗪类和苯丙烷类是典型的植物来源的次生代谢产物，可参与植物防御，已被证明在抵御生物和非生物环境胁迫的防御机制中发挥重要作用。苯丙烷类生物合成通路（E1.11.1.7和TOGT1）中的必需基因也发生了显著改变，表明玉米催化酶和抗氧化酶的合成受到调节，而这些酶对玉米的防御和代谢机制至关重要。光合天线系统专门用于吸收光子并以激发态或激子的形式将能量转移到光合反应中心，其是植物最基本的任务之一。基因（psbC和psbA）的显著变化对于玉米在非生物胁迫下改善光合作用非常重要。这些结果表明，以上途径中的基因可能参与玉米对可生物降解微塑料的胁迫响应。在传统微塑料处理组中，植物激素信号转导和MAPK信号通路-植物通路是PE和PS处理所特有的，其中MAPK信号通路基因（ERF1）和植物激素信号转导基因（PYL）表达提高。

图2. 玉米转录组对微塑料的响应

玉米代谢物组对微塑料的胁迫响应

研究使用非靶向代谢组学对玉米叶片进行了代谢组分析。共鉴定出933种代谢物，首先使用稀疏偏最小二乘判别分析（sPLS-DA）探索代谢组学谱（图 3A）。sPLS-DA分析的得分图表明，PBS微塑料和其他处理组代谢物变化存在差异。PBAT和PS微塑料处理后的代谢物与对照紧密聚集，表明PBAT和PS对玉米代谢物谱的影响有限。进一步选择了对sPLS-DA组分1和2差异具有贡献前50种指示性代谢物（图 3B），它们主要属于黄酮类化合物（18%）、脂肪酰基（16%）和羧酸及其衍生物（10%）。PBS微塑料处理组的代谢物与对照和其他微塑料处理相比表现出明显不同。例如，与其他组相比，PBS 处理的玉米中的黄酮类化合物（包括6''-乙酰芹菜素、异柳叶菜素2''-鼠李糖苷和松香素5-[半乳糖基-(1->4)-葡萄糖苷]）相对较高。

通过KEGG富集通路分析进一步确定了关键代谢通路。如图3C所示，苯丙烷类生物合成通路在不同聚合物处理下均被富集。亚油酸代谢、黄酮和黄酮醇生物合成、半乳糖代谢（PLA和PE）以及淀粉和蔗糖代谢通路分别在PBAT、PBS、PLA、PE和PS处理中显著富集。这些结果与相应处理中发现的差异富集代谢物一致。例如，黄酮类化合物（黄芩苷和山奈苷）在PBS微塑料处理的玉米中显著富集，而蔗糖6-磷酸在PLA和PE处理的玉米中显著富集。植物已经进化出复杂的机制来合成次生代谢物以应对生物胁迫。黄酮类化合物是次生代谢物的主要类别，可以帮助植物抵御不利的环境限制。先前的研究也证实当植物暴露于Cd、盐和PS微塑料等生物或非生物胁迫时，也产生了类似的结果。此外，研究观察到玉米叶片可以通过富集与氨基酸、脂质和碳水化合物代谢相关的通路来增加能量，以应对微塑料胁迫。与其他生命形式类似，氨基酸是植物生长的关键成分，除了参与蛋白质生物合成过程，它们还是其他几种生物合成通路的组成部分，并在信号传导和应激过程中发挥关键作用。在正常条件下，碳水化合物的氧化提供呼吸作用；然而，在应激条件下，植物细胞可以改变其代谢以利用替代的呼吸底物，例如将蛋白质降解为游离氨基酸。研究表明，能量产生、碳水化合物代谢和氨基酸代谢等主要代谢过程在调节植物防御反应中起至关重要的作用，并作为信号分子的来源直接或间接参与植物防御反应。本研究中，代谢组分析与转录组学结果一致表明苯丙烷类生物合成通路参与了玉米对微塑料胁迫的响应。

图3. 玉米代谢组对微塑料的响应

（A）玉米代谢组的稀疏偏最小二乘判别分析（sPLS-DA）；（B）sPLS-DA分析中对成分1和2分离贡献最大的50种代谢物丰度热图；（C）不同微塑料处理下差异表达代谢物（DEM）的KEGG富集通路。

玉米响应微塑料胁迫的分子机制

为了进一步了解微塑料胁迫玉米的机制，研究对转录组和代谢组学结果进行了整合分析，基于玉米在所有处理中鉴定出的差异基因和代谢物的富集通路，构建了每条通路及其相关分支的共表达网络。结果表明，苯丙烷类生物合成、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成、糖酵解/糖异生通路是主要参与通路，这些通路在应对微塑料胁迫的响应网络中发挥重要作用。在植物中，芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸）是多种次生代谢物的前体，这些代谢物具有多种功能，特别是可以抵御各种非生物和生物胁迫。应激可导致能量不足，从而激活碳水化合物代谢通路和替代糖酵解，以维持重要代谢过程的能量和碳骨架。因此，研究进一步探究了微塑料胁迫下苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成和糖酵解/糖异生通路的响应模式（图4）。

芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸）的合成始于莽草酸途径对D-果糖-1-磷酸的改变。研究发现，参与该通路的五种关键酶，包括莽草酸激酶（EC：2.7.1.71）、天冬氨酸氨基转移酶（EC：2.6.1.1）、酪氨酸氨基转移酶（EC：2.6.1.5）、组氨醇磷酸氨基转移酶（EC：2.6.1.9）和芳香酸脱氢酶（EC：1.3.1.78），在微塑料胁迫下发生了改变。L-苯丙氨酸和 L-酪氨酸均由预苯酸调节，预苯酸通过苯丙酮酸或芳香酸合成 L-苯丙氨酸。在微塑料处理过程中，苯丙氨酸和色氨酸的含量下调，而酪氨酸积累，这可能是玉米对非生物胁迫的一种自我调节。L-苯丙氨酸可通过苯丙烷类生物合成通路转化为多种芳香族化合物。苯丙烷类的生物合成需要一系列中心酶调节反应，这些酶的基因表达发生了显著改变。例如，苯丙氨酸氨裂解酶（PAL，EC：4.3.1.24）和4-香豆酸-CoA连接酶（EC：6.2.1.12）下调，而过氧化物酶（EC：1.11.1.7）基因也发生了变化。PAL催化苯丙氨酸转化为肉桂酸，肉桂酸是所有次生代谢苯丙烷类的前体。然后，肉桂酸4-羟化酶（C4L）和4-香豆酸-CoA 连接酶（4CL）催化肉桂酸转化为对香豆酰-CoA，后者是许多苯丙烷类产品的前体。木质素代谢物的组成部分来自苯丙烷类通路。三种主要的单体木质素，即对香豆酰、松柏醇和芥子醇，通过自由基偶联聚合形成木质素聚合物。在微塑料胁迫下，这些代谢物的含量发生了显著改变。总之，苯丙烷类通路被发现受到微塑料的干扰，潜在表明微塑料会影响木质素的含量和组成，影响其物理化学性质，并导致纤维和导管变弱，从而进一步对植物生长产生负面作用。

在糖酵解/糖异生通路中，参与糖酵解/糖异生代谢通路的熊果苷含量显著上调。糖酵解/糖异生通路中编码6-磷酸果糖激酶（PFK，EC：2.7.1.11）、甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH，EC：1.2.1.9）和丙酮酸脱氢酶E1组分（EC：1.2.4.1）的基因在微塑料胁迫下发生了显著改变。葡萄糖在糖酵解酶（包括GAPDH）的作用下分解代谢为丙酮酸，丙酮酸进入线粒体并被用于产生乙酰辅酶A。乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，从而驱动柠檬酸（TCA循环）。草酰乙酸可通过TCA循环从葡萄糖衍生的丙酮酸或谷氨酰胺分解代谢中产生，研究发现，TCA循环会因暴露于不同微塑料而发生改变。草酰乙酸通过碳固定途径还原为苹果酸，然后苹果酸通过苹果酸脱氢酶（MDH，EC：1.1.1.37）脱羧为丙酮酸，在本研究中还发现该酶被下调。研究还发现，微塑料胁迫显著改变了苹果酸-天冬氨酸循环，这是玉米能量供应和ATP合成的关键通路。以上变化表明植物体内平衡发生了重调，以适应外界压力。

图4. 不同处理组中糖酵解/糖异生、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成通路基因和代谢物丰度变化

地下部因子介导玉米对微塑料胁迫的响应

经过质量控制后，所有土壤样本中的总共488814个序列被聚类为 5172 个ASV。其中放线菌门、变形菌门、厚壁菌门、绿弯菌门和酸杆菌门为各个处理组中主要的门。此外，在微塑料处理中，放线菌门的相对丰度较低，变形菌门相对丰度较高。与对照相比，PBS微塑料显著降低了土壤细菌群落的多样性和均匀性。研究进一步评估了微生物群落、土壤变量和DOM性质之间的关系（图5），结果表明DOC浓度与C3组分和变形菌门呈正相关，与BIX呈负相关。此外，变形菌门与α多样性指数呈负相关。这表明微塑料添加会选择性地增加变形菌门，从而降低土壤细菌群落的多样性和均匀性。此外，变形菌门会优先利用不稳定的DOM分子并合成复杂化合物，这可能会增加土壤有机质的腐殖化程度，证实了变形菌门与BIX之间的负相关性。

地下部特征在驱动植物生长特性变化方面发挥重要作用。如图5所示，玉米生化特征和代谢组与土壤DOC浓度、DOM荧光成分、群落均匀度和Myxococcota门的相对丰度高度相关。玉米转录组与微生物群落的丰富度和多样性以及厚壁菌门、拟杆菌门和Myxococcota门的相对丰度表现出显著的相关性。以上结果表明，玉米对微塑料的生化、代谢组学和转录组学响应与微塑料引起的土壤变化密切相关。随后，研究进行了RF建模，通过估计地上和地下特征的重要性来确定植物鲜重的主要预测因子。研究观察到ChlB含量、抗氧化CAT酶、土壤pH值和微生物群落均匀度是影响玉米鲜重的重要因素（图5B）。研究进一步进行了PLS-PM，以量化地上和地下特征对玉米鲜重的贡献（图 5C）。结果表明植物鲜重直接受土壤化学性质、玉米生化反应和代谢组的影响；土壤微生物群落会显著影响玉米生化反应和代谢组。综上，微塑料可以通过改变土壤环境因素直接影响植物生长，或通过影响土壤微生物群落间接影响植物生长。

先前的研究表明，根际微生物可以通过介导植物激素物质（例如吲哚乙酸、脱落酸和细胞分裂素）来帮助植物抵抗非生物胁迫。例如，芽孢杆菌可以通过产生吲哚乙酸来缓解盐胁迫，从而正向调节小麦组织的脯氨酸含量、光合作用和抗氧化酶活性。在本研究中，植物激素信号转导和丝裂原活化蛋白激酶信号通路受到微塑料的特异性调控，这与植物相关微生物可以通过调节植物生理活动来增强非生物胁迫耐受性的事实一致。此外，微塑料引起的土壤环境变量变化可能会对植物产生直接影响，研究加深了有关微塑料土壤生态效应的认识。

图5. 地下部特征对玉米生长的影响

（A）玉米生化特征、代谢组和转录组与土壤变量、溶解性有机质（DOM） 荧光组分、微生物α多样性和主要门相对丰度的相关性；（B）基于随机森林 （RF）模型的主要地上和地下部特征对玉米鲜重的贡献;（C）偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析地上和地下部特征对玉米鲜重的贡献。

结 论

由于可生物降解聚合物的使用在未来将大幅增加，这些聚合物将不可避免地在土壤生态系统中积累。因此，有必要提前评估其在农业或其他领域的潜在影响。本研究揭示了玉米对五种微塑料响应的潜在分子机制，结果表明，可生物降解的微塑料影响ASA-GSH循环；传统微塑料提高玉米光合作用。多组学分析表明，在微塑料胁迫下，玉米的次生代谢产物生物合成、光合作用、能量代谢和碳水化合物代谢受到调节。虽然玉米的生长特性在某些微塑料胁迫下变化有限，但玉米叶片表现出氧化损伤和分子紊乱。此外，研究结果表明，微塑料引起的地下部特征变化可能会对植物性状和功能产生影响。本研究展示了分子过程和化学防御系统协同作用以使玉米适应微塑料胁迫（图6）。

本研究仍具有局限性，首先，暴露时间较短；其次，目前尚不清楚观察到的代谢变化是否会进一步影响玉米的产量和质量；没有进行田间试验来评估微塑料暴露下，玉米整个生命周期的变化。此外，植物基因型也可能是分子对微塑料响应的主要驱动因素。基因组如何介导玉米对微塑料胁迫的适应，宿主遗传变异以及基因型与观察到的表型间的差异，仍需深入探究。最后，研究呼吁不能简单地将可生物降解塑料视为一种新污染物并研究其生态毒理学效应，因为任何富含碳的物质都可能直接或间接地影响植物。然而，本研究结果强调我们不该忽视微塑料，特别是可生物降解微塑料，对植物的潜在干扰。

图6. 玉米对可生物降解和传统微塑料响应示意图

方 法

土壤、微塑料和植物样品的准备

表层土壤（0-20厘米）取自中国农业大学上庄试验站的未耕种农田，没有地膜覆盖，没有已知的塑料污染。土壤在室温（25°C）下风干3周，并通过2毫米筛网筛分以去除石头和植物残留物。土壤的理化性质可在SI中找到。本研究选择了五种典型且应用广泛的塑料，包括两种传统塑料PE和PS，以及三种可生物降解塑料PBAT、PBS和PLA。PE和PS颗粒从阿拉丁（上海）购买，而PBAT、PBS和PLA颗粒从兴旺塑料（东莞）购买。这些颗粒被筛分至150 - 180微米（80-100目）的尺寸范围，用甲醇清洗，在40°C下干燥，并在4°C下储存以备将来使用。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）用于表征颗粒。玉米种子（先玉335）用5%次氯酸钠溶液消毒5分钟，播种前用无菌去离子水冲洗。

盆栽试验

试验设计包括五种微塑料（PBAT、PBS、PLA、PE 和 PS），使用浓度为 1%（w/w）。每个陶瓷盆含有2.0公斤土壤，混有或不混有20克微塑料颗粒。每盆种植四粒玉米种子，在第三片叶子出现后将植株间苗为每盆一株。每个处理包括四次重复。试验在中国农业大学温室中进行，温室内温度范围为19.5℃至27.8℃，湿度约为12%。试验期间，每周给盆称重并用去离子水浇水，以保持田间持水量约为20%。

植物指标测定

在实验结束时（60天），记录了植物高度、茎粗和鲜重。植物高度是从土壤表面到最上层叶片伸展到最大高度的距离，茎粗是在土壤表面测量的茎最宽直径。在最后一天的上午9:00至11:00之间，使用Li-6400便携式光合作用系统测量完全展开的新鲜叶片的Pn、Ls、Gs、Ci和Tr。LWUEint和LWUEins按照SI中描述的方法计算。测量后，收获叶片并立即放入50 mL离心管中并储存在−80°C下。

生化指标测定

使用PRO200均质机在4°C下以10000 rpm的速度将叶片样品在10 mmol/L 磷酸盐缓冲液（pH7.4）中以1:10（质量：体积）的比例匀浆1分钟。随后在 4°C 下以3500 ×g的速度离心匀浆10分钟，并使用上清液进行生化分析。使用考马斯亮蓝蛋白质测定试剂盒（南京建成生物工程研究所）按照制造商的说明测量蛋白质浓度。使用专用检测试剂盒（南京建成生物工程研究所）测定抗氧化酶的活性，包括CAT、过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、GR、APX和谷胱甘肽S-转移酶（GST），并根据制造商的说明使用紫外可见分光光度计（Shimadzu UV-1900i，日本）或微孔板读数仪（Epoch-SN，BioTek，美国）。使用检测试剂盒（南京建成生物工程研究所）测量脂质过氧化（MDA）和非酶抗氧化剂（ASA、GSH和ABA）。使用紫外可见分光光度计（Shimadzu UV-1900i，日本）分别在 645 nm和663 nm波长下对叶绿素a和b进行比色分析。

转录组分析

使用RNAQUEOUS试剂盒（Ambion-1912）按照厂家介绍提取玉米叶片总RNA，用Thermo Scientific公司的NanoDrop 2000分光光度计计算RNA含量，用溴化乙锭染色的琼脂糖凝胶电泳评估样品的完整性。在Agilent 2100生物分析仪上进一步分析提取的总RNA的浓度和纯度。选取质量较高的样品进行转录组测序。转录组分析由上海美吉生物医药科技有限公司使用Illumina HiSeq 6000平台进行，双端读长为150 bp。使用Trimmmatic软件对原始数据进行质量预处理。使用Tophat2工具将高质量读段映射到参考基因组序列。使用StringTie组装工具 （http://ccb.jhu.edu/software/stringtie/）组装映射的读段。组装结果基于GO和 KEGG数据库进行注释。使用 RESM 软件计算基因表达水平，将其量化为每百万读段转录本值（TPM）。使用 DESeq2 R 包（1.40.2）识别 DEG。

代谢组分析

使用高通量组织研磨机在75%甲醇水溶液中研磨玉米叶片。随后将叶片提取物在冰浴中超声处理30分钟，并在−20°C下储存30分钟。将样品提取物在 4°C下以13000 rpm离心15分钟，并将上清液转移至1 mL小瓶中。LC-MS在Thermo UHPLC系统上进行。使用Acquity BEH C18色谱柱（100 mm × 2.1 mm 内径，1.7 μm；Waters）。进样量为10 μL，流速为0.4 mL/min，柱温为40°C。SI描述了梯度洗脱程序和代谢物的质谱分析和注释。

根际DOM荧光光谱测定和扩增子测序

使用MoBio PowerSoil DNA试剂盒（Qiagen，上海）提取根际土壤的DNA。使用引物 338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCA)和806R （GGACTACHVGGGTWTCTAAT）扩增16S rRNA基因的V3-V4区域。扩增产物在Majorbio BioPharm Technology Co. Ltd. 使用Illumina MiSeq平台以2 × 300-bp双端格式进行测序。使用标准QIIME2（Quantitative Insights Into Microbial Ecology，版本2024.2.0）流程处理原始16S rRNA基因序列。使用DADA2对原始读段进行修剪和去噪，并将其聚类为ASV。使用 SILVA 参考数据库（版本138）获得每个代表性ASV的分类信息。有关扩增过程和生物信息分析的详细信息在SI中给出。

数据统计分析

所有统计和图形分析均使用 R（v 4.2.2）。使用PCA（factoextra）、NMDS （vegan）和主坐标分析（PCoA, vegan）进行降维分析。使用非参数多元方差分析（Adonis）检验不同处理的显著性。使用R包mixOmics进行sPLS-DA，并利用该包中的DIABLO函数整合组学数据和玉米生理特性。使用Cytoscape v3.9.0构建途径相互作用网络。为了将地下部变量与植物特性联系起来，进行了Mantel检验。为了评估地下部变量和植物生理特征对植物鲜重的相对重要性，使用R中的“randomForest”包（ntree = 1000）进行了随机森林分析。为了进一步辨别地下部变量对植物鲜重的直接和间接影响，使用R中的“plspm”包进行了偏最小二乘路径建模（PLS-PM）。使用拟合优度指数（GoF）验证了该模型的整体预测性能，值越高表示预测性能越好。如果p值

代码和数据可用性

引文格式：

Yuanze Sun, Jingxi Zang, Siyuan Xie, Mochen Wu, Jianguo Tao, Tanveer M. Adyel, Xinyu Du, Si Li, Jie Wang. 2024. "Transcriptomic and Metabolomic Responses of Maize under Conventional and Biodegradable Microplastic Stress.” iMetaOmics2: e48. https://doi.org/10.1002/imo2.48.

作者简介

孙源泽（第一作者）

● 博士，2024年6月毕业于中国农业大学资源与环境学院。德国洪堡基金获得者，现为柏林自由大学博士后。博士期间曾多次获得国家奖学金，曾获中国农业大学校长奖学金、唐孝炎环境科学创新奖等荣誉。

● 主要从事微塑料土壤生态效应研究，以第一作者在iMeta、Environmental Science & Technology、Communications Earth & Environment、mSystems等期刊发表论文。

汪杰（通讯作者）

● 中国农业大学资源与环境学院副教授，博士生导师。

● 研究领域包括微塑料环境效应、新污染物环境行为、有机污染物生物有效性特征等。主持国家自然科学基金等项目。在Environmental Science & Technology、Water Research、Advanced Science、Soil Biology and Biochemistry、Environmental Microbiology等期刊发表论文70余篇，h指数36（Google Scholar）。

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期刊简介

“iMeta” 是由威立、宏科学和本领域数千名华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表所有领域高影响力的研究、方法和综述，重点关注微生物组、生物信息、大数据和多组学等前沿交叉学科。目标是发表前10%(IF > 20)的高影响力论文。期刊特色包括中英双语图文、双语视频、可重复分析、图片打磨、60万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊！相继被Google Scholar、PubMed、SCIE、ESI、DOAJ、Scopus等数据库收录！2024年6月获得首个影响因子23.8，位列全球SCI期刊前千分之五(107/21848)，微生物学科2/161，仅低于Nature Reviews，学科研究类期刊全球第一，中国大陆11/514！

“iMetaOmics” 是“iMeta” 子刊，主编由中国科学院北京生命科学研究院赵方庆研究员和香港中文大学于君教授担任，是定位IF>10的高水平综合期刊，欢迎投稿！

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来源：微生物组