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Environment

Élucider le métabolisme du 2,4-dibromophénol chez les plantes

Published: February 10, 2023 doi: 10.3791/65089

Summary

Le présent protocole décrit une méthode simple et efficace pour l’identification des métabolites du 2,4-dibromophénol chez les plantes.

Abstract

Les cultures peuvent être largement exposées aux polluants organiques, car le sol est un puits important pour les polluants rejetés dans l’environnement. Cela crée une exposition humaine potentielle par la consommation d’aliments polluants accumulés. L’élucidation de l’absorption et du métabolisme des xénobiotiques dans les cultures est essentielle pour l’évaluation du risque d’exposition alimentaire chez l’homme. Cependant, pour de telles expériences, l’utilisation de plantes intactes nécessite des expériences à long terme et des protocoles complexes de préparation d’échantillons qui peuvent être affectés par divers facteurs. Les cultures de callosités végétales combinées à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) peuvent fournir une solution pour l’identification précise et rapide des métabolites des xénobiotiques dans les plantes, car elles peuvent éviter les interférences du microenvironnement microbien ou fongique, raccourcir la durée du traitement et simplifier l’effet de matrice des plantes intactes. Le 2,4-dibromophénol, un retardateur de flamme et un perturbateur endocrinien typique, a été choisi comme substance modèle en raison de sa présence répandue dans le sol et de son potentiel d’absorption par les plantes. Ici, des callosités végétales ont été générées à partir de graines d’asepsie et exposées à un milieu de culture stérile contenant du 2,4-dibromophénol. Les résultats ont montré que huit métabolites du 2,4-dibromophénol ont été identifiés dans les tissus calleux des plantes après 120 h d’incubation. Cela indique que le 2,4-dibromophénol a été rapidement métabolisé dans les tissus calleux des plantes. Ainsi, la plateforme de culture de callosités végétales est une méthode efficace pour évaluer l’absorption et le métabolisme des xénobiotiques chez les plantes.

Introduction

Un nombre croissant de polluants organiques ont été rejetés dans l’environnement en raison des activités anthropiques 1,2, et le sol est considéré comme un puits important pour ces contaminants 3,4. Les contaminants présents dans le sol peuvent être absorbés par les plantes et potentiellement transférés à des organismes de niveau trophique supérieur le long des chaînes alimentaires, en pénétrant directement dans le corps humain par la consommation des cultures, ce qui entraîne une exposition involontaire 5,6. Les plantes utilisent différentes voies pour métaboliser les xénobiotiques à des fins de détoxification7 ; Il est important d’élucider le métabolisme des xénobiotiques, car ils contrôlent le devenir réel des contaminants dans les plantes. Comme les métabolites peuvent être excrétés par les feuilles (dans l’atmosphère) ou les racines, la détermination des métabolites dans les toutes premières phases de l’exposition offre donc la possibilité de tester un nombre étendu de métabolites8. Cependant, les études utilisant des plantes intactes nécessitent des expériences à long terme et des protocoles complexes de préparation d’échantillons qui peuvent être affectés par divers facteurs.

Les cultures de callosités végétales sont donc une bonne alternative pour étudier le métabolisme des xénobiotiques in planta, car elles peuvent réduire considérablement le temps de traitement. Ces cultures excluent les interférences microbiennes et la dégradation photochimique, simplifient l’effet matriciel des plantes intactes, standardisent les conditions de culture et nécessitent moins d’efforts expérimentaux. Les cultures de callosités végétales ont été appliquées avec succès comme approche alternative dans les études métaboliques du triclosan9, du nonylphénol10 et du tébuconazole8. Ces études ont montré que les schémas métaboliques dans les cultures de callosités étaient similaires à ceux des plantes intactes. Cette étude propose une méthode d’identification efficace et précise des métabolites des xénobiotiques chez les plantes sans protocoles complexes et chronophages. Ici, nous utilisons des cultures de callosités végétales en combinaison avec la spectrométrie de masse à haute résolution pour l’analyse des métabolites avec des signaux de faible intensité11,12.

À cette fin, des suspensions de callosités de carotte (Daucus carota var. sativus) ont été exposées à 100 μg/L de 2,4-dibromophénol pendant 120 h dans un agitateur à 130 tr/min et à 26 °C. Le 2,4-dibromophénol a été choisi en raison de son activité endocrinienne perturbatrice13 et de sa présence répandue dans le sol14. Les métabolites ont été extraits et analysés par spectrométrie de masse à haute résolution. Le protocole proposé ici permet d’étudier le métabolisme in planta d’autres types de composés organiques qui peuvent être ionisés.

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Protocol

1. Différenciation des callosités de la carotte

REMARQUE : Autoclaver tous les équipements utilisés ici et effectuer toutes les opérations dans un établi ultra-propre stérilisé aux UV.

  1. Vernaliser les graines en immergeant les graines de carotte uniformes (Daucus carota var. sativus) dans de l’eau déminéralisée à 4 °C pendant 16 h.
  2. Stérilisez les graines vernalisées en surface avec de l’éthanol à 75 % pendant 20 minutes, puis rincez-les trois fois avec de l’eau déminéralisée stérile dans des conditions aseptiques.
  3. Stérilisez ensuite les graines avec 20 % de H2 O2 pendant 20 min et lavez-les six fois avec de l’eau déminéralisée stérilisée dans des conditions aseptiques.
  4. Faire germer les graines de manière aseptique en les semant sur un milieu MS sans hormones (pH 5,8, autoclavé à 121 °C pendant 20 min) contenant 1% d’agar-gel, et en incubant à 26 °C avec une photopériode de 16 h (350 μmol/m2s) pendant 15 jours.
  5. Obtenir les explants en coupant l’hypocotyle et le cotylédon des plantules en petits morceaux (0,5 cm).
  6. Transformer les explants en boîtes de Pétri (deux à quatre explants par boîte) contenant 15 à 20 mL de milieu MS aseptique complété par de l’auximone (acide 2,4-dichlorophénoxyacétique ; 1 mg/L) et de la phytokinine (6-benzylaminopurine ; 0,5 mg/L) dans des conditions aseptiques.
  7. Incuber les explants dans l’obscurité à 26 °C pendant 3-4 semaines pour induire le durillon.
  8. Séparez les tissus calleux (environ 1 cm de diamètre) formés à partir des explants initiaux à l’aide d’un scalpel stérile et d’une pince.
    REMARQUE : Les tissus calleux nouvellement formés sont de couleur blanche à jaune crème et s’attachent lâchement aux explants initiaux.

2. Traitement au 2,4-dibromophénol

  1. Dissoudre 1 μg de 2,4-dibromophénol dans 10 mL de milieu MS liquide aseptique (la concentration finale de 2,4-dibromophénol est de 100 ppb, pH 5,6-7,0).
  2. Ajouter 3 g de callosité de carotte fraîche (étape 1.8) dans des flacons en verre contenant la solution de 2,4-dibromophénol préparée (à partir de l’étape 2.1) dans des conditions aseptiques. Considérez cela comme le traitement au 2,4-dibromophénol.
    REMARQUE : Les flacons en verre ont été autoclavés et scellés à l’aide d’un film de paraffine.
  3. Inclure un milieu témoin contenant uniquement la solution de 2,4-dibromophénol (préparée à l’étape 2.1) pour évaluer la dégradation abiotique du 2,4-dibromophénol.
  4. Inclure un témoin vierge contenant uniquement le cal de la carotte (pas de solution de 2,4-dibromophénol) pour vérifier toute contamination potentielle.
    1. Préparer le témoin à blanc contenant la carotte en ajoutant 3 g de callosités de carottes fraîches récoltées seulement dans 10 mL de milieu MS stérile.
  5. Incuber le traitement au 2,4-dibromophénol et les témoins à milieu et à blanc à 130 tr/min et 26 °C dans l’obscurité dans un incubateur pendant 120 h.
  6. Retirer les flacons en verre de l’incubateur pour prélever les échantillons du traitement au 2,4-dibromophénol et des contrôles après 120 h d’incubation.
    REMARQUE : Tous les échantillons ont été préparés en trois exemplaires.

3. Préparation de l’échantillon

  1. Séparez soigneusement le cal du milieu MS par filtration avec des filtres en fibre de verre (0,45 μm) pour le traitement au 2,4-dibromophénol et les témoins. Récupérez les callosités après les avoir lavées trois fois avec de l’eau ultra-pure.
  2. Lyophiliser le cal collecté avec de l’azote liquide, puis homogénéiser le cal collecté (0,2 g) avec un broyeur de tissus à haut débit à 70 Hz pendant 3 min.
  3. Augmenter le cal homogénéisé en ajoutant 50 μL de substitut 4-n-NP-d4 à 25 mg/L à l’aide d’une microseringue en verre, puis en faisant tourner le vortex pendant 1 min.
  4. Ponifier les échantillons avec 5 mL de méthanol/eau (1 :1, v/v) dans un ultrasonicateur (150 W, 40 kHz) rempli d’eau glacée pendant 30 min, pour en extraire le 2,4-dibromophénol et les métabolites.
  5. Centrifuger les suspensions à 8 000 x g à 4 °C pendant 10 min et recueillir les surnageants par pipetage.
    1. Répétez trois fois les processus d’extraction de l’échantillon de callosité et combinez les extraits.
  6. Faire passer les extraits dans des cartouches d’extraction en phase solide équilibrée lipophile (HLB SPE) avec un débit de 1 mL/min.
    REMARQUE : Les cartouches HLB SPE ont été prétraitées séquentiellement avec 6 mL de méthanol et 6 mL d’eau pour éliminer toute interférence.
  7. Éluer les analytes en faisant passer 6 mL de méthanol à travers les cartouches HLB SPE. Ensuite, concentrer les éluants obtenus à 1 mL sous un léger jet d’azote gazeux pour l’analyse instrumentale.
  8. Injecter 10 μL d’éluants résultants dans l’UPLC-Q-TOF-MS pour l’analyse du 2,4-dibromophénol et de leurs métabolites15.
    1. Filtrer tous les échantillons à l’aide d’une membrane en nylon de 0,22 μm avant l’analyse instrumentale.

4. Analyse instrumentale

NOTE : Les analyses du 2,4-dibromophénol et de leurs métabolites ont été réalisées sur un chromatographe liquide à ultra-performance (UPLC) en combinaison avec un spectromètre de masse micrOTOF-QII équipé d’une ionisation par électropulvérisation (ESI), fonctionnant en mode d’ions positifs et négatifs.

  1. Ouvrez la porte de la colonne chauffante et installez la colonne UPLC en connectant l’entrée de la colonne à la vanne d’injection et la sortie de la colonne à l’entrée du spectromètre de masse.
    NOTE : Une colonne C18 (50 mm x 2,1 mm ; granulométrie de 1,7 μm) a été utilisée pour la séparation des analytes à 40 °C.
  2. Connectez la phase mobile A (eau ultra-pure) et la phase mobile B (méthanol de qualité chromatographique) à l’instrument en insérant l’extrémité des tubes de solvant A et B dans les bouteilles de solvant correspondantes, respectivement.
    1. Filtrer toutes les phases mobiles (500 ml pour chacune) à travers un filtre de 0,22 μm et soniser pendant plus de 30 min.
  3. Dans la fenêtre du logiciel, cliquez sur Instrument | Méthode d’entrée pour modifier les conditions du chromatogramme en phase liquide.
    1. Régler les conditions de gradient de la phase mobile B comme suit : un débit de 1,0 mL/min ; 0 à 0,5 min, 5 % ; 0,5 à 3,5 min, 5 % à 50 % ; 3,5 à 6,5 min, 50 % à 100 % ; 6,5 à 7 min, 100 % ; 7 à 10 min, 100 % à 5 %.
    2. Réglez le débit d’injection des échantillons dans l’UPLC-Q-TOF-MS sur 0,2 mL/min.
      REMARQUE : L’injection de l’échantillon est programmée à l’aide d’un échantillonneur entièrement automatique.
  4. Dans la fenêtre du logiciel, sélectionnez Méthode MS puis paramétrez les paramètres de Q-TOF-MS : un débit de gaz desséchant (N2) de 8 L/min, une température de 300-350 °C ; une tension capillaire de 4 500 V ; une énergie de collision de 5 à 45 V ; et une plage de balayage complète de 40 à 800 Da.
  5. Placez les flacons d’échantillons aux emplacements correspondants des plateaux d’échantillons par numéro de série et réinsérez les plateaux d’échantillons dans la chambre d’échantillonnage.
    REMARQUE : Gardez les plateaux d’échantillons à plat et assurez-vous que la porte de la chambre d’échantillon est fermée.
  6. Dans la fenêtre du logiciel, sélectionnez Fichier | Nouveau pour créer une base de données. Nommez la base de données.
  7. Chargez l’exemple de programme créé ci-dessus en sélectionnant Fichier MS | Fichier d’entrée | Injecter du volume.
  8. Enregistrez la base de données dans le dossier d’exemple du projet en cliquant sur Fichier | Sauvegarder.
  9. Sélectionnez Exécuter | Démarrez dans la fenêtre principale du logiciel, puis sélectionnez Acquérir des exemples de données et cliquez sur OK dans la fenêtre de la liste d’exemples de démarrage exécutée pour collecter les données.
    REMARQUE : Le chromatogramme en temps réel peut être visualisé en cliquant sur Chromatogramme | Mise à jour en temps réel pendant le processus d’acquisition des données.
  10. Traitez les données dans le logiciel en sélectionnant la ligne de données cible et en cliquant sur la fenêtre Chromatogramme pour afficher le chromatogramme MS Scan.
  11. Dans la fenêtre Chromatogramme , cliquez sur Affichage | TIC | ScanWaveDS | Ajouter une trace | OK pour obtenir les spectres de masse de balayage fille.
  12. Identifier les métabolites en comparant les chromatogrammes du traitement au 2,4-dibromophénol et des témoins.
  13. Élucider les métabolites candidats par le temps de rétention, la masse et les modèles de fragmentation16,17.
    NOTA : L’erreur de précision de masse entre les valeurs expérimentales de m/z des ions parents des métabolites candidats et leur m/z théorique correspondante doit être inférieure à 10 ppm.

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Representative Results

Les étapes du protocole sont illustrées à la figure 1. En suivant le protocole, nous avons comparé le chromatogramme de l’extrait de callosité de carotte du traitement au 2,4-dibromophénol aux témoins, et avons trouvé huit pics distincts qui sont présents dans le traitement au 2,4-dibromophénol mais absents chez les témoins (Figure 2). Cela indique qu’un total de huit métabolites du 2,4-dibromophénol (M562, M545, M661, M413, M339, M380, M424 et M187) ont été détectés avec succès dans le cal de carotte traité au 2,4-dibromophénol. De plus, le pic du 2,4-dibromophénol parent (temps de rétention = 0,85 min) n’a pas été trouvé dans le chromatogramme du traitement au 2,4-dibromophénol (Figure 2), ce qui indique que le 2,4-dibromophénol a été rapidement métabolisé dans le cal de la carotte dans les conditions expérimentales.

Les données chromatographiques et massiques utilisées pour identifier les métabolites du 2,4-dibromophénol dans le cal de la carotte sont résumées dans le tableau 1. Le 2,4-dibromophénol incubé dans le cal de la carotte a conduit à la formation de métabolites par conjugaison directe avec du glucose (M562, M545, M661 et M413) et des acides aminés (M339, M380 et M424). Par exemple, M413 a produit des fragments à m/z 250,8954 et 163,1485, qui correspondent au phtalate de dibutyle (DBP) et au glucose (C6H11O5). M413 a ensuite été métabolisé pour former les métabolites de conjugaison disaccharide M661, M545 et M562, en ajoutant du pentose ou de l’hexose. On a supposé que les acides M339, M380 et M424 étaient de l’alanine 2,4-dibromophénol, de l’acétylalanine 2,4-dibromophénol et de l’acide acétylaspartique 2,4-dibromophénol, car ils ont la perte neutre caractéristique d’acide aminé (C 3 H 6 NO2), d’acétylalanine (C 5 H 8 NO3) et d’acide acétylaspartique (C6H8NO5), produisant les fragments correspondants à m/z 89,0932, 129.1140 et 173.1235, respectivement15. Les résultats présentés suggèrent que les cultures de callosités végétales peuvent être utilisées comme un outil efficace et fiable pour élucider le métabolisme des xénobiotiques dans les cultures.

Figure 1
Figure 1 : Schéma de la méthode. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Les chromatogrammes du 2,4-dibromophénol (photo ci-contre) et des métabolites du 2,4-dibromophénol. Cette figure a été adaptée avec la permission de Sun et al.15. Droit d’auteur (2018) American Chemical Society. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Métabolite RT (min) ESI Mode Observé
M/Z
Calculé
M/Z
Formule prédicée Fragments (m/z) Niveau de confiance
Réf. M562 0.7 -H 562.201 562.201 C18H26Br2O10 250.8954(-DBP) Niveau 2b
170.9914(-Br) MS, MS2
Réf. M545 1.6 -H 545.151 545.1506 C17H22Br2O10 250.8954(-DBP) Niveau 2b
170.9914(-Br)
528.1433(-OH) MS, MS2
Réf. M661 2.9 -H 661.222 661.2228 C21H26Br2O14 250.8954(-DBP) Niveau 2b
410.3274(-C15H23O13) MS, MS2
Réf. M413 4.1 -H 413.036 413.036 C12H14Br2O6 250.8954(-DBP) Niveau 1
163.1485(-C6H11O5)
207.8938(250-CO2) Synthétique standard, RT, MS, MS2
Réf. M339 5.2 +H 339.994 339.9886 C9 H9Br2NO3 250.8954(-DBP) Niveau 2b
87.0773(-C3H6NO2) MS, MS2
Réf. M380 5.5 -H 380.01 380.0094 C 11 H11Br2NO4 250.8954(-DBP) Niveau 2b
129.1140(-C5H8NO3) MS, MS2
Réf. M424 5.8 -H 424.012 424.0189 C12H11Br2NO6 250.8954(-DBP) Niveau 2b
173.1235(-C6H8NO5) MS, MS2
Réf. M187 6.1 -H 187.995 187.9988 C6H5BrO2 109.1027(-Br) Niveau 1
170.9914(-OH) Norme authentique, RT, MS, MS2

Tableau 1 : Résumé du 2,4-dibromophénol et de ses métabolites découverts dans les extraits de callosités de carotte. Ce tableau a été adapté avec la permission de Sun et al.15. Droit d’auteur (2018) American Chemical Society.

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Discussion

Ce protocole a été développé pour identifier efficacement la biotransformation des xénobiotiques chez les plantes. L’étape critique de ce protocole est la culture du cal de la plante. La partie la plus difficile est la différenciation et le maintien du cal de la plante, car le cal de la plante est facilement infecté et développé en tissus végétaux. Par conséquent, il est important de s’assurer que tout l’équipement utilisé est autoclavé et que toutes les opérations sont effectuées dans des conditions aseptiques. La différenciation et l’entretien des callosités végétales doivent être effectués dans l’obscurité pour éviter la croissance autotrophe et le surdéveloppement. De plus, la dose et les types de phytohormones supplémentés dans le milieu MS sont essentiels pour la différence de callosité de la plante, qui doit prendre en compte l’espèce végétale. Un surdosage de phytohormones provoque le développement d’un système vasculaire par le durillon, mais une insuffisance de phytohormones limite la différenciation du cal de la plante18. Les stocks de milieu MS et de phytohormones doivent être préparés frais. Il est fortement recommandé d’autoclaver le milieu MS avant l’introduction des phytohormones et de l’hypocotyle aseptique.

Les pigments tels que la chlorophylle dans les plantes intactes sont un problème général dans les mesures LC-HRMS19,20. Le cal de la plante est dérivé de l’hypocotyle aseptique et est transparent sans chlorophylle. Cela signifie que la culture de callosités végétales peut optimiser l’effet de matrice de la plante intacte et offrir une technique de préparation d’échantillons facile mais efficace sans étapes d’élimination des pigments. L’analyse des métabolites des xénobiotiques dans les callosités des plantes a été réalisée avec LC-HRMS de manière non ciblée15. La culture de callosités végétales combinée à une analyse non ciblée permet l’identification efficace d’un profilage à grande échelle des composés métaboliques. Ces avantages rendent la méthode idéale pour la compréhension mécanistique du métabolisme des xénobiotiques chez les plantes. Cependant, il existe encore plusieurs limitations pour le protocole. Par exemple, le protocole ne peut être appliqué qu’à titre de référence pour la situation réelle qui se produit dans les usines sur le terrain, en raison des conditions environnementales complexes. De plus, étant donné que les callosités des différentes plantes présentent des capacités métaboliques différentes, les métabolites identifiés des xénobiotiques peuvent varier selon le type de callosité.

Connaître la transformation métabolique des produits chimiques dans les plantes est important pour leur développement et leur application en toute sécurité. La méthode proposée ici est efficace et fiable pour le criblage des métabolites générés dans les plantes, et peut soutenir l’évaluation du risque associé pour les écosystèmes et la santé humaine par le transfert de la chaîne alimentaire ou l’apport alimentaire direct des cultures. Ce protocole permet d’étudier la persistance des xénobiotiques dans les plantes et d’aider à dépister les contaminants émergents. Compte tenu de sa capacité métabolique complète, avec moins de coûts et moins de temps et d’efforts, la culture de callosités végétales est un bon outil pour comparer les comportements métaboliques de nombreux composés et constituer une base de données pour la prédiction des métabolites possibles des xénobiotiques.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Cette étude a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (21976160) et le projet de recherche sur l’application des technologies de bien-être public de la province du Zhejiang (LGF21B070006).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2,4-dichlorophenoxyacetic acid WAKO 1 mg/L
20% H2O2 Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. 10011218-500ML
4-n-NP, >99% Dr. Ehrenstorfer GmbH
4-n-NP-d4 Pointe-Claire
6-benzylaminopurine WAKO 0.5 mg/L
75% ethanol Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. 1269101-500ML
7890A-5975 gas chromatography Agilent
ACQULTY ultra-performance liquid chromatography Waters
Amber glass vials Waters
Artificial climate incubator Ningbo DongNan Lab Equipment Co.,LTD RDN-1000A-4
Autoclaves STIK MJ-Series
C18 column ACQUITY UPLC BEH
Centrifuge Thermo Fisher
DB-5MS capillary column Agilent
Dichloromethane Sigma-Aldrich 40071190-4L
Freeze dryer SCIENTZ 
High-throughput tissue grinder SCIENTZ 
Methanol Sigma-Aldrich
MicrOTOF-QII mass spectrometer Bruker Daltonics
Milli-Q system Millipore MS1922801-4L
Murashige & Skoog medium HOPEBIO HB8469-7
N-hexane Sigma-Aldrich H109658-4L
Nitrogen blowing instrument  AOSHENG MD200-2
NP isomers, >99% Dr. Ehrenstorfer GmbH
Oasis HLB cartridges Waters 60 mg/3 mL
Research plus Eppendorf 100-1000 µL
Seeds of Little Finger carrot (Daucus carota var. sativus)  Shouguang Seed Industry Co., Ltd
Shaking Incubators Shanghai bluepard instruments Co.,ltd. THZ-98AB
Solid phase extractor AUTO SCIENCE
Ultrasound machine ZKI UC-6
UV-sterilized ultra-clean workbench AIRTECH

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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Sciences de l’environnement Numéro 192
Élucider le métabolisme du 2,4-dibromophénol chez les plantes
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Wu, J., Yang, X., Wang, Q., Zhou,More

Wu, J., Yang, X., Wang, Q., Zhou, Q., Zhang, A., Sun, J. Elucidating the Metabolism of 2,4-Dibromophenol in Plants. J. Vis. Exp. (192), e65089, doi:10.3791/65089 (2023).

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