日本福岛核废水排海启示：关于核电站爆炸辐射区野生豌豆的多组学分析

　　时间追溯到2011年3月11日，日本福岛发生有史以来最严重的核事故之一。核电站三个反应堆熔毁，发生大规模核泄漏，造成了人类和生态环境的严重破坏。

　　作为核事故的后续，福岛核电站积累了大量被污染的废水。近日，2023年8月24日，日本政府宣布将核废水排放入邻近海域，引发了国际上的反对和担忧。人们担心排放核废水会损害海洋生态，导致食品污染，对健康带来潜在威胁。

　　本期8月最新文献，提供了一个典型的研究样本，介绍了切尔诺贝利核电站泄漏35年后，辐射地区的野豌豆仍然在基因、转录、蛋白、代谢水平上差异明显，这对人们警惕日本核事故的影响，起到了重要的启示作用。

 

 

　　01研究目的

　　灾难性核辐射对于生态的长期影响，人们知之甚少，利用多组学技术手段，可以有效分析其遭受长期辐射后，植物分子表型所发生的适应性变化，分析在严苛辐射环境下，植物在基因表达、蛋白表达、代谢模式等方面所发生的深刻变化。这是研究核污染对生物群影响的有力工具。

 

　　02研究方法

　　对切尔诺贝利核电站辐射区的野豌豆进行采样，以正常辐射背景地区的同种野豌豆作为对照，在分析土壤和基因表达模式的基础上，开展转录组学、蛋白质组学和代谢组学在内的多组学分析。

 

　　03研究结果

　　与对照相比，核污染区野豌豆在碳循环代谢与光合作用方面发生了显著的改变，多组学数据分析显示，辐射区野豌豆重定向了TCA循环的代谢中间体，来合成保护性化合物，并且比对照地区的植物，更多地依赖脂肪和氨基酸代谢来产生能量。

　　与对照组相比，核污染35年后，污染区野豌豆仍然普遍检测出中等程度的DNA损伤，参与DNA双链断裂后同源重组修复的蛋白，如拓扑异构酶3α，明显上调；与对照相比，核辐射区野豌豆处于氧化还原不平衡状态，过氧化物酶上调，ROS升高。

　　与对照组相比，核污染区野生豌豆普遍积累具有抗氧化特性的次生代谢产物，以适应植物细胞内ROS不平衡，如参与酚类化合物生物合成的苯丙氨酸解氨酶发生上调，以合成更多的抗氧化剂，来应对长期的氧化应激。

　　与对照组相比，核污染区野生豌豆在蛋白合成方面发生明显变化，表明核污染地区生长的植物存在复杂的胁迫反应，细胞的基因表达和翻译模式发生了重大变化。

 

　　04研究结论

　　文献描述了切尔诺贝利核污染区野豌豆的多组学综合检测结果，通过整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等不同分子水平的数据，可以全面了解植物对长期核辐射适应的生物学分子机制，有助于识别关键生物标志物，可用于监测评估核污染对植物环境的影响，并有助于制定有效的放射性污染地区植物修复策略。

　　研究结果展开：

　　图1 野豌豆样本取材位置示意图

　　根据图1所示：ChNPP表示切尔诺贝利核电站，M和K表示核污染区，B和L表示对照区。M：Masany；K：Kulazhin；B：Babchin；L：Lomysh。

　　图2 核辐射区野豌豆与对照区野豌豆在特定基因表达的差异

　　根据图2所示：（A-I）分别显示两类区域的野豌豆在基因RBOH-F、APX1、CAB1、HY5、TIP1、PIP1、CPN60A、CPN20及H2B表达上的区别；(J)-从消防塔俯瞰切尔诺贝利禁区。

　　图3 转录组分析显示核污染野豌豆

与对照野豌豆的整体基因表达差异

　　根据图3所示：A显示污染组（M、K）与对照组（L、B）对比，表达下调的基因数量；B显示污染组与对照组对比，表达上调的基因数量；C和D加入了对照组之间的对比（L与B），分别呈现了组间下调基因的差异（图C）和上调基因的差异（图D）

　　图4 蛋白质组学分析

　　图4分析显示核污染区野豌豆（Kul、Mas）与对照区野豌豆（Bab、Lom）在蛋白表达上的差异，绿色表示下调的蛋白，红色表示核辐射后表达上调的蛋白。

　　图5 差异显著的蛋白质之间相互作用示意图

　　图5显示核污染野生豌豆样本与对照样本相比，表达差异显著的蛋白质之间相互作用示意图。这些差异蛋白涵盖重要的代谢与合成蛋白，如叶绿素I（P700）a蛋白、叶绿素II蛋白、核糖体蛋白、醌氧化还原酶、细胞色素酶等。

　　图6 代谢组学分析检测核污染区野豌豆

与对照组样本的代谢物变化

　　根据图6所示：A显示与对照相比（红色），污染区样本在代谢成分上可以明显区分；B显示出排列在前20名的代谢物质；C显示两种区域的样本在50种代谢物表达上的差异，包含重要代谢物质，比如6-磷酸-葡萄糖、6-磷酸-果糖、γ-氨基丁酸、1-磷酸-肌醇、3-磷酸-肌醇等。

　　图7 核污染区野豌豆样本

与对照样本在整体代谢物层面上所表现出的差异

　　根据图7显示：A火山图显示核污染区Kulazhin（K区）与对照组（L区+B区）在代谢组学上的差异；B火山图显示另一个核污染区Masany（M区）与对照组之间的代谢差异，其中蓝色代表下调的代谢物，灰色为不显著，红色为上调的代谢物。C表示了核污染区样本在代谢通路上的变化，红色圆圈显示几种变化明显的代谢类型。

　　图8 多组学联合分析显示TCA循环通路

　　图9 丙酮酸代谢通路

　　图8和图9显示多组学联合分析显示TCA循环通路（图8）和丙酮酸代谢通路（图9）的富集情况。对于转录组和蛋白质组所鉴定到的差异因子，以方框标识，蓝色表示下调，红色表示上调；对其中代谢组所鉴定到的差异因子，以小圆圈表示。

　　图10显示叶绿素II捕光蛋白复合体和叶绿体光合电子传递链，在核污染样本与对照样本之间的差异，对于转录组和蛋白质组所鉴定到的差异因子，以方框标识，蓝色-下调，红色-上调。

 

　　05总结与启发

　　本文全面分析了切尔诺贝利核辐射禁区内的植物野豌豆（Vicia cracca）所发生的变化。研究采用了转录组学、蛋白质组学和代谢组学方法。

　　研究结果表明，受到核辐射的植物，在新陈代谢、基因表达模式、DNA损伤、氧化还原失衡和应激反应等方面发生了重大变化。该研究揭示了植物对长期辐射的适应机制，并对核辐射后生态系统恢复管理具有指导意义。

　　从这篇有关灾难性核辐射影响生态的最新研究文献，我们可以学习到：

　　灾难性核辐射影响时间长远，该文章所取样本的时间段切尔诺贝利核电站泄漏后35周年，研究表明仍然核污染仍然对当地植物影响极大；

　　长期核辐射会影响植物的新陈代谢和能量生产，导致碳代谢、光合作用和次生代谢产物的生物合成发生变化；

　　长期遭受核辐射的植物会产生适应机制，如改变代谢途径和基因表达模式，以应对辐射带来的压力；

　　包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学在内的多组学方法，可为了解长期核辐射对生态系统影响提供有价值的信息；

　　华测艾研推出多组学服务，不仅可以辅助客户了解目标生物在核辐射暴露后所发生的分子变化，而且可以辅助监控核废水对食品安全和人类健康的影响，在科学分析和健康防护方面一步到位，对接客户切实需求。

 

　　06新品发布：放射性物质检测服务

　　除以上多组学相关检测服务以外，为积极响应市场变化与需求，近期，华测检测联合多产品线重磅推出：放射性物质检测服务。

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基质类型	检测项目
饮用水 养殖用水 海水 海洋沉积物 农产品 食品 宠物食品 饲料 化妆品（原料及成品）等	总α, 总β
	H-3（氚）
	C-14（碳14）
	Sr-89（锶-89）
	Pm-147（钷-147）
	I-131（碘-131）
	Cs-137（铯-137）
	Pu-239（钚-239）
	Po-210（钋-210）
	Ra-226（镭-226）
	Ra-228（镭-228）
	Co-58（钴-58）
	Co-60（钴-60）
	天然钍
	天然铀
	……

　　参考文献

　　Viktoria V,Polina V,Sofia B,et al.Multi-Omics Analysis of Vicia cracca Responses to Chronic Radiation Exposure in the Chernobyl Exclusion Zone.Plants(Basel).2023 Jun;12(12):2318.Published online 2023 Jun 14.doi:10.3390/plants12122318