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Unmasking Spatial Heterogeneity in Phytotoxicology Mechanisms Induced by Carbamazepine by Mass Spectrometry Imaging and Multiomics Analyses

代谢物 质谱法 质谱成像 氧化应激 化学 转录组 光合作用 解吸电喷雾电离 环境化学 生物化学 色谱法 基因表达 化学电离 基因 电离 离子 有机化学
作者
Zhiyu Lu,Chengyuan Liu,Yan‐Yun Hu,Yang Pan,Yuan Li,Liutian Wu,Keke Qi,Zhan Zhang,Jing-Chen Zhou,Jia-Heng Zhao,Yi Hu,Hao Yin,Guo‐Ping Sheng
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (31): 13986-13994
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c04628
摘要

Previous studies have highlighted the toxicity of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in plants, yet understanding their spatial distribution within plant tissues and specific toxic effects remains limited. This study investigates the spatial-specific toxic effects of carbamazepine (CBZ), a prevalent PPCP, in plants. Utilizing desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging (DESI-MSI), CBZ and its transformation products were observed predominantly at the leaf edges, with 2.3-fold higher concentrations than inner regions, which was confirmed by LC-MS. Transcriptomic and metabolic analyses revealed significant differences in gene expression and metabolite levels between the inner and outer leaf regions, emphasizing the spatial location's role in CBZ response. Notably, photosynthesis-related genes were markedly downregulated, and photosynthetic efficiency was reduced at leaf edges. Additionally, elevated oxidative stress at leaf edges was indicated by higher antioxidant enzyme activity, cell membrane impairment, and increased free fatty acids. Given the increased oxidative stress at the leaf margins, the study suggests using
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