Molecular Mechanism of Organic Pollutant-Induced Reduction of Carbon Fixation and Biomass Yield in Oryza sativa L.

鲁比斯科 光合作用 固碳 化学 水稻 加氧酶 光合能力 植物 农学 生物化学 生物 基因
作者
Xinru Zhang,Na Liu,Huijie Lü,Lizhong Zhu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (7): 4162-4172 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c07835
摘要

Photosynthetic carbon fixation is fundamental for plant growth and is a key process driving the global carbon cycle. This study explored the mechanism of disturbed carbon fixation in Oryza sativa L. by organic pollutants 2,3,4,5-tetrachlorobiphenyl (CB 61), 4'-hydroxy-2,3,4,5-tetrachlorobiphenyl (4'-OH-CB 61), 2,2',4,4'-tetrabromo diphenyl ether (BDE 47), tricyclazole (TRI), and pyrene. The biomass of rice exposed to 4'-OH-CB 61, TRI, and BDE 47 was on average 80.63% of that of the control (p < 0.05), and the inhibition of net photosynthetic rate was 59.15% by 4'-OH-CB 61. Proteomics confirmed that 4'-OH-CB 61 significantly downregulated the enzymes in the photosynthetic carbon fixation pathway, which was attributed to the decrease in ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco), the rate-limiting enzyme in the Calvin cycle. In detail, decreased Rubisco activity (6.96-33.44%) and downregulated OsRBCS2-5 encoding small Rubisco subunits (-6.80 < log2FC < -2.13) by 4'-OH-CB 61, TRI, and BDE 47 were in line with biomass yield reduction. Molecular docking and dynamic simulation suggested that the three pollutants potentially competed with CO2 for binding to the active sites in Rubisco, leading to reduced CO2 capture efficiency. These results revealed the molecular mechanism of organic pollution-induced rice yield reduction, contributing to improving the understanding of crop growth and carbon sequestration capacity of organics-contaminated soils globally.
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