Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Wyjaśnienie metabolizmu 2,4-dibromofenolu w roślinach

1.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/65089

⸱

10 lutego 2023

 ,  ,  ,  ,  , 

W tym artykule

Podsumowanie

Obecny protokół opisuje prostą i skuteczną metodę identyfikacji metabolitów 2,4-dibromofenolu w roślinach.

Streszczenie

Uprawy mogą być narażone na zanieczyszczenia organiczne, ponieważ gleba jest głównym pochłaniaczem zanieczyszczeń wyrzucanych do środowiska. Stwarza to potencjalne narażenie ludzi poprzez spożywanie żywności nagromadzonej w zanieczyszczeniach. Wyjaśnienie wchłaniania i metabolizmu ksenobiotyków w uprawach ma zasadnicze znaczenie dla oceny ryzyka narażenia z dietą u ludzi. Jednak w przypadku takich eksperymentów użycie nienaruszonych roślin wymaga długotrwałych eksperymentów i złożonych protokołów przygotowania próbek, na które mogą mieć wpływ różne czynniki. Kultury kalusa roślinnego w połączeniu ze spektrometrią mas o wysokiej rozdzielczości (HRMS) mogą stanowić rozwiązanie do dokładnej i oszczędzającej czas identyfikacji metabolitów ksenobiotyków w roślinach, ponieważ mogą uniknąć zakłóceń ze strony mikrośrodowiska mikrobiologicznego lub grzybowego, skrócić czas trwania zabiegu i uprościć efekt matrycy nienaruszonych roślin. 2,4-dibromofenol, typowy środek zmniejszający palność i zaburzający funkcjonowanie układu hormonalnego, został wybrany jako substancja modelowa ze względu na jego powszechne występowanie w glebie i zdolność pobierania przez rośliny. W tym przypadku kalus roślinny został wygenerowany z nasion aseptyki i wystawiony na działanie sterylnej pożywki hodowlanej zawierającej 2,4-dibromofenol. Wyniki wykazały, że po 120 godzinach inkubacji w tkankach kalusa roślinnego zidentyfikowano osiem metabolitów 2,4-dibromofenolu. Wskazuje to, że 2,4-dibromofenol był szybko metabolizowany w tkankach kalusa roślinnego. Tak więc platforma do hodowli kalusa roślinnego jest skuteczną metodą oceny pobierania i metabolizmu ksenobiotyków w roślinach.

Wprowadzenie

Coraz więcej zanieczyszczeń organicznych jest wyrzucanych do środowiska z powodu działalności antropogenicznej1,2, a gleba jest uważana za główny pochłaniacz tych zanieczyszczeń3,4. Zanieczyszczenia w glebie mogą być pobierane przez rośliny i potencjalnie przenoszone do organizmów o wyższym poziomie troficznym wzdłuż łańcuchów pokarmowych, bezpośrednio dostając się do organizmu ludzkiego poprzez spożycie plonów, co w konsekwencji prowadzi do niezamierzonego narażenia5,6. Rośliny wykorzystują różne szlaki metabolizowania ksenobiotyków w celu detoksykacji7; Wyjaśnienie metabolizmu ksenobiotyków jest ważne, ponieważ kontroluje faktyczny los zanieczyszczeń w roślinach. Ponieważ metabolity mogą być wydalane przez liście (do atmosfery) lub korzenie, określenie metabolitów w bardzo wczesnych fazach ekspozycji daje możliwość przetestowania rozszerzonej liczby metabolitów8. Jednak badania z wykorzystaniem nienaruszonych roślin wymagają długotrwałych eksperymentów i złożonych protokołów przygotowania próbek, na które mogą mieć wpływ różne czynniki.

Kultury kalusa roślinnego są zatem dobrą alternatywą do badania metabolizmu ksenobiotyków w roślinach, ponieważ mogą znacznie skrócić czas leczenia. Kultury te wykluczają ingerencję mikrobiologiczną i degradację fotochemiczną, upraszczają efekt matrycy nienaruszonych roślin, standaryzują warunki uprawy i wymagają mniej wysiłku eksperymentalnego. Kultury kalusa roślinnego zostały z powodzeniem zastosowane jako alternatywne podejście w badaniach metabolicznych triklosan9, nonylphenol10 i tebukonazol8. Badania te wykazały, że wzorce metaboliczne w kulturach kalusa były podobne do tych w nienaruszonych roślinach. W niniejszym badaniu zaproponowano metodę skutecznej i dokładnej identyfikacji metabolitów ksenobiotyków w roślinach bez skomplikowanych i czasochłonnych protokołów. W tym przypadku używamy kultur kalusa roślinnego w połączeniu ze spektrometrią mas o wysokiej rozdzielczości do analizy metabolitów z sygnałami o niskiej intensywności11,12.

W tym celu, zawiesiny kalusa marchwi (Daucus carota var. sativus) wystawiono na działanie 100 μg/L 2,4-dibromofenolu przez 120 godzin w wytrząsarce przy 130 obr./min i 26 °C. Wybrano 2,4-dibromofenol ze względu na jego destrukcyjną aktywność endokrynologiczną13 i powszechne występowanie w glebie14. Metabolity wyekstrahowano i przeanalizowano za pomocą spektrometrii mas o wysokiej rozdzielczości. Proponowany tutaj protokół może badać metabolizm in planta innych rodzajów związków organicznych, które mogą być zjonizowane.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Różnicowanie kalusa marchwi

UWAGA: Autoklaw wszystkie używane tutaj urządzenia i wykonuj wszystkie operacje na ultra czystym stole warsztatowym sterylizowanym promieniami UV.

  1. Wernalizować nasiona, zanurzając jednolite nasiona marchwi (Daucus carota var. sativus) w wodzie dejonizowanej o temperaturze 4 °C na 16 godzin.
  2. Sterylizuj powierzchniowo wernalizowane nasiona 75% etanolem przez 20 minut, a następnie spłucz trzykrotnie sterylną wodą dejonizowaną w warunkach aseptycznych.
  3. Następnie sterylizuj nasiona 20% H2O2 przez 20 minut i umyj je wysterylizowaną wodą dejonizowaną sześć razy w warunkach aseptycznych.
  4. Nasiona kiełkować w aseptyce, wysiewając je na bezhormonalnym podłożu MS (pH 5,8, sterylizowane w autoklawie w temperaturze 121 °C przez 20 minut) zawierającym 1% żelu agarowego i inkubując w temperaturze 26 °C z 16-godzinnym fotoperiodem (350 μmol/m2s) przez 15 dni.
  5. Eksplantaty należy uzyskać, krojąc hipokotyl i liścienie sadzonek na małe kawałki (0,5 cm).
  6. Przekształć eksplantaty w szalki Petriego (dwa do czterech eksplantatów na szalkę) zawierające 15-20 ml aseptycznego podłoża MS uzupełnionego auksymonem (kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy; 1 mg/l) i fitokininą (6-benzyloaminopuryna; 0,5 mg/l) w warunkach aseptycznych.
  7. Inkubować eksplantaty w ciemności w temperaturze 26 °C przez 3-4 tygodnie, aby wywołać kalus.
  8. Oddziel tkanki kalusa (o średnicy około 1 cm) utworzone z początkowych eksplantatów za pomocą sterylnego skalpela i kleszczy.
    UWAGA: Nowo powstałe tkanki kalusa mają kolor od białego do kremowożółtego i luźno przylegają do początkowych eksplantatów.

2. Leczenie 2,4-dibromofenolem

  1. Rozpuścić 1 μg 2,4-dibromofenolu w 10 ml aseptycznego płynnego podłoża MS (końcowe stężenie 2,4-dibromofenolu wynosi 100 ppb, pH 5,6-7,0).
  2. Dodać 3 g świeżego kalusa marchwi (krok 1.8) do szklanych kolb zawierających przygotowany roztwór 2,4-dibromofenolu (z etapu 2.1) w warunkach aseptycznych. Rozważ to jako leczenie 2,4-dibromofenolem.
    UWAGA: Szklane kolby zostały autoklawizowane i uszczelnione folią parafinową.
  3. Dołączyć pożywkę kontrolną zawierającą tylko roztwór 2,4-dibromofenolu (przygotowany w kroku 2.1) w celu oceny abiotycznej degradacji 2,4-dibromofenolu.
  4. Dołączyć ślepą próbę kontrolną zawierającą tylko kalus marchwi (bez roztworu 2,4-dibromofenolu) w celu sprawdzenia, czy nie ma potencjalnego zanieczyszczenia.
    1. Przygotować ślepą próbę kontrolną zawierającą marchew, dodając 3 g świeżo zebranego kalusa z marchwi tylko do 10 ml sterylnego podłoża MS.
  5. Inkubować poddanie działaniu 2,4-dibromofenolu oraz pożywkę i próby kontrolne w temperaturze 130 obr./min i w temperaturze 26 °C w ciemności w inkubatorze przez 120 godzin.
  6. Wyjąć szklane kolby z inkubatora w celu pobrania próbek z obróbki 2,4-dibromofenolem i kontroli po 120 godzinach inkubacji><. UWAGA: Wszystkie próbki przygotowano w trzech egzemplarzach.

3. Przygotowanie próbki

  1. Ostrożnie oddzielić kalus od podłoża MS przez filtrację za pomocą filtrów z włókna szklanego (0,45 μm) do obróbki 2,4-dibromofenolem i kontrol. Zbierz modzel po trzykrotnym umyciu ultraczystą wodą.
  2. Pobrany kalus należy liofilizować ciekłym azotem, a następnie homogenizować zebrany kalus (0,2 g) za pomocą wysokowydajnego młynka do tkanek o częstotliwości 70 Hz przez 3 minuty.
  3. Nakłuć homogenizowany kalus, dodając 50 μl substytutu 4-n-NP-d4 o stężeniu 25 mg/l za pomocą szklanej mikrostrzykawki, a następnie wirując przez 1 minutę.
  4. Sonikować próbki za pomocą 5 ml metanolu/wody (1:1, v/v) w ultrasonografie (150 W, 40 kHz) wypełnionym lodowatą wodą przez 30 minut, w celu ekstrakcji 2,4-dibromofenolu i metabolitów.
  5. Odwirować zawiesiny o sile 8 000 x g w temperaturze 4 °C przez 10 minut i zebrać supernatanty przez pipetowanie.
    1. Powtórzyć procesy ekstrakcji próbki kalusa trzy razy i połączyć ekstrakty.
  6. Przepuścić ekstrakty przez hydrofilowe wkłady do ekstrakcji w zrównoważonej fazie stałej (HLB SPE) o natężeniu przepływu 1 ml/min.
    UWAGA: Wkłady HLB SPE zostały wstępnie potraktowane sekwencyjnie 6 ml metanolu i 6 ml wody w celu usunięcia wszelkich zakłóceń.
  7. Eluować anality, przepuszczając 6 ml metanolu przez wkłady HLB SPE. Następnie zagęścić otrzymane eluenty do 1 ml pod delikatnym strumieniem azotu gazowego do analizy instrumentalnej.
  8. Wstrzyknąć 10 μl powstałych eluentów do UPLC-Q-TOF-MS dla analizy 2,4-dibromofenolu i jego metabolitów15.
    1. Przefiltruj wszystkie próbki za pomocą membrany nylonowej 0,22 μm przed analizą instrumentalną
    2. .

4. Analiza instrumentalna

UWAGA: Analizy 2,4-dibromofenolu i jego metabolitów przeprowadzono na ultra-sprawnym chromatografie cieczowym (UPLC) w połączeniu ze spektrometrem masowym micrOTOF-QII wyposażonym w jonizację elektronrozpylającą (ESI), działającym w trybie jonów dodatnich i ujemnych.

  1. Otwórz drzwiczki grzałki kolumny i zainstaluj kolumnę UPLC, podłączając wlot kolumny do zaworu wtryskowego, a wylot kolumny do wlotu spektrometru mas.
    UWAGA: Kolumna C18 (50 mm x 2,1 mm; wielkość cząstek 1,7 μm) została użyta do rozdzielania analitów w temperaturze 40 °C.
  2. Podłączyć ruchomą fazę A (woda ultraczysta) i fazę ruchomą B (metanol do chromatografii) do przyrządu, wkładając koniec probówek rozpuszczalnika A i B odpowiednio do odpowiednich butelek z rozpuszczalnikiem.
    1. Przefiltruj wszystkie fazy ruchome (po 500 ml na każdą) przez filtr 0,22 μm i poddaj soniku przez ponad 30 minut.
  3. W oknie oprogramowania kliknij Instrument | Metoda wlotowa do edycji warunków dla chromatogramu cieczowego.
    1. Ustawić warunki gradientu fazy ruchomej B w następujący sposób: natężenie przepływu 1,0 ml/min; 0-0,5 min, 5%; 0,5-3,5 min, 5% do 50%; 3,5-6,5 min, 50% do 100%; 6,5-7 min, 100%; 7-10 min, 100% do 5%.
    2. Ustaw szybkość wstrzykiwania próbek do UPLC-Q-TOF-MS na 0,2 ml/min.
      UWAGA: Wstrzykiwanie próbki jest programowane za pomocą w pełni automatycznego próbnika.
  4. W oknie oprogramowania wybierz Metodę MS, a następnie ustaw parametry Q-TOF-MS: natężenie przepływu gazu suszącego (N2) 8 l/min, temperatura 300-350 °C, napięcie kapilarne 4 500 V, energia zderzenia 5-45 V i pełny zakres skanowania 40-800 Da.
  5. Umieść fiolki z próbkami w odpowiednich miejscach tacek na próbki według numeru seryjnego i ponownie włóż tacki na próbki do komory na próbki.
    UWAGA: Utrzymuj tacki na próbki płasko i upewnij się, że drzwiczki komory na próbki są zamknięte.
  6. W oknie oprogramowania wybierz Plik | Nowość, aby utworzyć bazę danych. Nazwij bazę danych.
  7. Załaduj przykładowy program utworzony powyżej, wybierając opcję Plik MS | Plik wlotowy | Objętość wstrzyknięcia.
  8. Zapisz bazę danych w folderze przykładowym projektu, klikając punkt menu Plik | Zapisz.
  9. Wybierz pozycję Uruchom | Uruchom w oknie głównym oprogramowania, a następnie wybierz opcję Pobierz przykładowe dane i kliknij przycisk OK w oknie uruchamiania listy próbek, aby zebrać dane.
    UWAGA: Chromatogram w czasie rzeczywistym można wyświetlić, klikając Chromatogram | Aktualizacja w czasie rzeczywistym podczas procesu pozyskiwania danych.
  10. Przetwarzaj dane w oprogramowaniu, wybierając docelowy wiersz danych i klikając okno Chromatogram, aby wyświetlić chromatogram MS scan.
  11. W oknie Chromatogram kliknij Wyświetl | TIK | Skaner ScanWaveDS | Dodawanie śladu | OK, aby uzyskać widma masowe skanowania córki.
  12. Zidentyfikować metabolity, porównując chromatogramy poddane działaniu 2,4-dibromofenolu i kontrole.
  13. Wyjaśnij kandydatów na metabolity według czasu retencji, masy i wzorców fragmentacji16,17.
    UWAGA: Błąd dokładności masy między doświadczalnymi wartościami m/z jonów macierzystych kandydatów na metabolity do odpowiadających im teoretycznych m/z powinien być mniejszy niż 10 ppm.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Kroki protokołu przedstawiono na Rysunku 1. Zgodnie z protokołem porównaliśmy chromatogram ekstraktu z kalusa marchwi po traktowaniu 2,4-dibromofenolem z grupami kontrolnymi i zidentyfikowaliśmy osiem wyraźnych pików, które występują w próbce traktowanej 2,4-dibromofenolem, a nie występują w kontrolach (Rysunek 2). Wskazuje to, że w kalusie marchwi traktowanym 2,4-dibromofenolem pomyślnie wykryto łącznie osiem metabolitów 2,4-dibromofenolu (M562, M545, M661, M4...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Protokół ten został opracowany w celu skutecznej identyfikacji biotransformacji ksenobiotyków w roślinach. Krytycznym etapem tego protokołu jest hodowla kalusa roślinnego. Najtrudniejszą częścią jest różnicowanie i utrzymanie kalusa roślinnego, ponieważ kalus roślinny łatwo ulega zakażeniu i rozwija się w tkankach roślinnych. Dlatego ważne jest, aby upewnić się, że cały używany sprzęt jest autoklawowany, a wszystkie operacje są wykonywane w warunkach aseptycznych. Różnicowanie i utrzymanie kalusa rośliny powinno odbywać ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

To badanie było wspierane przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (21976160) oraz Zhejiang Province Public Welfare Technology Application Research Project (LGF21B070006).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowyWAKO1 mg/L
20% H2O2Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.10011218-500ML
4-n-NP, >99%Dr. Ehrenstorfer GmbH
4-n-NP-d4Pointe-Claire
6-benzyloaminopurynaWAKO0,5 mg/L
75% etanolSinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.1269101-500ML
7890A-5975  chromatografia gazowaAgilent
ACQULTY ultra-performance  chromatografia cieczowaWaters
Fiolki ze szkła bursztynowegoWaters
Inkubator sztucznego klimatuNingbo DongNan Lab Equipment Co., LTDRDN-1000A-4
AutoklawySTIKMJ-Series
C18kolumna ACQUITY UPLC BEH
WirówkaThermo Fisher
DB-5MS kolumna kapilarnaAgilent
DichlorometanSigma-Aldrich40071190-4L
LiofilizatorSCIENTZ 
Wysokowydajna rozdrabniacz do tkanekSCIENTZ 
MetanolSigma-Aldrich
MicrOTOF-QII spektrometr masowyBruker Daltonics
Milli-Q system MilliporeMS1922801-4L
Murashige & Skoog mediumHOPEBIOHB8469-7
N-heksanSigma-AldrichH109658-4L
Przyrząd do wdmuchiwania azotu AOSHENGMD200-2
Izomery NP, >99%Dr. Ehrenstorfer GmbH
Oasis Wkłady HLBWody60 mg/3 mL
Research plusEppendorf100-1000 &mikro; L
Nasiona marchwi drobnopalczastej (Daucus carota var. sativus) Shouguang Seed Industry Co., Ltd
Potrząsanie  InkubatoryShanghai bluepard instruments Co., Ltd.THZ-98AB
Ekstraktor do faz stałychAUTO SCIENCE
UltrasonografZKIUC-6
ultra czysty stół warsztatowy sterylizowany promieniami UVAIRTECH

Bibliografia

  1. Chakraborty, P., et al. Baseline investigation on plasticizers, bisphenol A, polycyclic aromatic hydrocarbons and heavy metals in the surface soil of the informal electronic waste recycling workshops and nearby open dumpsites in Indian metropolitan cities. Environmental Pollution. 248, 1036-1045 (2019).
  2. Abril, C., Santos, J. L., Martin, J., Aparicio, I., Alonso, E. Occurrence, fate and environmental risk of anionic surfactants, bisphenol A, perfluorinated compounds and personal care products in sludge stabilization treatments. Science of the Total Environment. 711, 135048(2020).
  3. Xu, Y. W., et al. Determination and occurrence of bisphenol A and thirteen structural analogs in soil. Chemosphere. 277, 130232(2021).
  4. Cai, Q. Y., et al. Occurrence of nonylphenol and nonylphenol monoethoxylate in soil and vegetables from vegetable farms in the Pearl River Delta, South China. Archives of Environmental Contamination and Toxicology. 63 (1), 22-28 (2012).
  5. Wang, S. Y., et al. et al Migration and health risks of nonylphenol and bisphenol a in soil-winter wheat systems with long-term reclaimed water irrigation. Ecotoxicology and Environmental Safety. 158, 28-36 (2018).
  6. Gunther, K., Racker, T., Bohme, R. An isomer-specific approach to endocrine-disrupting nonylphenol in infant food. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 65 (6), 1247-1254 (2017).
  7. Van Eerd, L. L., Hoagland, R. E., Zablotowicz, R. M., Hall, J. C. Pesticide metabolism in plants and microorganisms. Weed Science. 51 (4), 472-495 (2003).
  8. Hillebrands, L., Lamshoeft, M., Lagojda, A., Stork, A., Kayser, O. Evaluation of callus cultures to elucidate the metabolism of tebuconazole, flurtamone, fenhexamid, and metalaxyl-M in Brassica napus L., Glycine max (L.) Merr., Zea mays L., and Triticum aestivum L. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 68 (48), 14123-14134 (2020).
  9. Macherius, A., et al. Metabolization of the bacteriostatic agent triclosan in edible plants and its consequences for plant uptake assessment. Environmental Science & Technology. 46 (19), 10797-10804 (2012).
  10. Sun, J. Q., et al. Uptake and metabolism of nonylphenol in plants: Isomer selectivity involved with direct conjugation. Environmental Pollution. 270, 116064(2021).
  11. Schymanski, E. L., et al. Identifying small molecules via high resolution mass spectrometry: communicating confidence. Environmental Science & Technology. 48 (4), 2097-2098 (2014).
  12. Moschet, C., Anumol, T., Lew, B. M., Bennett, D. H., Young, T. M. Household dust as a repository of chemical accumulation: new insights from a comprehensive high-resolution mass spectrometric study. Environmental Science & Technology. 52 (5), 2878-2887 (2018).
  13. Ren, Z., et al. Hydroxylated PBDEs and brominated phenolic compounds in particulate matters emitted during recycling of waste printed circuit boards in a typical e-waste workshop of South China. Environmental Pollution. 177, 71-77 (2013).
  14. de Wit, C. A. An overview of brominated flame retardants in the environment. Chemosphere. 46 (5), 583-624 (2002).
  15. Sun, J. Q., Chen, Q., Qian, Z. X., Zheng, Y., Yu, S. A., Zhang, A. P. Plant Uptake and Metabolism of e,4-Dibromophenol in Carrot: In Vitro Enzymatic Direct Conjugation. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 66 (17), 4328-4335 (2018).
  16. Chibwe, L., Titaley, I. A., Hoh, E., Simonich, S. L. M. Integrated framework for identifying toxic transformation products in complex environmental mixtures. Environmental Science & Technology Letters. 4 (2), 32-43 (2017).
  17. Hollender, J., Schymanski, E. L., Singer, H. P., Ferguson, P. L. Nontarget screening with high resolution mass spectrometry in the environment: ready to go. Environmental Science & Technology. 51 (20), 11505-11512 (2017).
  18. Nafisi, M., Fimognari, L., Sakuragi, Y. Interplays between the cell wall and phytohormones in interaction between plants and necrotrophic pathogens. Phytochemistry. 112, 63-71 (2015).
  19. Zhang, Q., et al. Multiple metabolic pathways of 2,4,6-tribromophenol in rice plants. Environmental Science & Technology. 53 (13), 7473-7482 (2019).
  20. Hou, X., et al. Glycosylation of tetrabromobisphenol A in pumpkin. Environmental Science & Technology. 53 (15), 8805-8812 (2019).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Metabolizm 24-dibromofenolukultura kalusa roślinnegopobieranie ksenobiotykówzanieczyszczenia organicznespektrometria mas wysokiej rozdzielczościidentyfikacja metabolitówekstrakcja do fazy stałejultrawydajna chromatografia cieczowaocena ryzyka środowiskowegoszlaki metaboliczne roślin