科学研究 /2023-9-14 10:47
新烟碱农药之代际效应:张金阁等在ES&T发表斑马鱼暴露吡虫啉和噻虫嗪诱导代际效应论文
来源:环境学院|作者:张金阁|摄影:张金阁|编辑:卢嘉裕
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近日,华南师范大学环境学院应光国教授团队2022级博士张金阁、史文俊副研究员等人在《Environmental Science & Technology》上发表了题为“Chronic Paternal/Maternal Exposure to Environmental Concentrations of Imidacloprid and Thiamethoxam Causes Intergenerational Toxicity in Zebrafish Offspring”的副封面论文(DOI: 10.1021/acs.est.3c04371)。该研究通过新烟碱类杀虫剂吡虫啉(IMI)和噻虫嗪(THM)对F0代斑马鱼长期暴露,发现环境相关浓度下IMI和THM对F0代雄性和雌性斑马鱼有雌激素效应,并且均导致F1代斑马鱼产生内分泌干扰效应和发育毒性。该研究结果表明单亲斑马鱼暴露于环境相关浓度IMI和THM后均会引起代际效应,对环境中非靶标生物,特别是鱼类具有生态风险。

新烟碱类杀虫剂吡虫啉(IMI)和噻虫嗪(THM)是常用的杀虫剂,已在水生生态系统中广泛检出。前期研究表明它们对亲代斑马鱼毒性效应显著,但在环境相关浓度下对斑马鱼的代际效应尚不明晰。在本研究中,IMI和THM(0、50和500 ng L-1)暴露斑马鱼胚胎144天至性成熟(F0代斑马鱼)。通过暴露后的单亲斑马鱼和未暴露斑马鱼进行产卵,获得F1代,以研究单亲暴露产生的代际效应。研究表明,IMI和THM不仅显著影响了雌鱼和雄鱼繁殖力、性腺发育、性激素和VTG水平,表现出雌激素效应。重要的是,不论是亲代雄性还是雌性斑马鱼暴露于IMI和THM都可间接影响F1代斑马鱼的性激素水平,并显著增加心率和自发摆尾频率。同时,mRNA-lncRNA联合分析发现,细胞周期、卵母细胞减数分裂和类固醇生物合成通路在F1代中显著富集,解释了内分泌干扰效应和发育毒性。以上研究结果表明,单亲斑马鱼长期暴露于IMI和THM会产生代际效应,导致子代发育毒性和内分泌干扰效应,对非靶标生物(如鱼类)种群构成生态风险。

以吡虫啉(IMI)和噻虫嗪(THM)为代表的新烟碱类杀虫剂能够靶向昆虫的烟碱型乙酰胆碱受体(nAChR),因其高效、广谱等优点,已成为作物种植过程中害虫防治的主要杀虫剂。然而在使用过程中,由于药物活性成分难以全部有效作用于靶标生物,加之长期大量施用甚至滥用,导致地表水、沉积物、浅层地下水和土壤等环境介质受污染严重,由此引发的生态环境问题日益凸显。新烟碱类杀虫剂具有较强的环境持久性,在水生生态系统中广泛检出。IMI和THM检出频率高,检出浓度大。越来越多的研究发现,IMI和THM对非靶标生物具有内分泌干扰效应、神经毒性、生殖系统损伤、遗传毒性等。已有研究表明,IMI或THM对昆虫具有跨代毒性。实验室研究发现,IMI会通过影响激素水平对大鼠亲代和子代生殖能力产生严重影响。然而,环境相关浓度下IMI和THM对鱼类的代际效应机制仍不清楚。此外,长期暴露在污染环境中的亲代的毒性会从暴露的雄鱼/雌鱼以性别特异的方式传递给未暴露的子代,并影响子代斑马鱼的发育。例如,雌鱼会传递大量污染物,直接影响子代的发育。相比之下,雄鱼往往通过表观遗传标记来控制子代的发育。本文以斑马鱼为受试生物,分析了环境相关浓度IMI和THM长期暴露单亲斑马鱼后所引起的代际效应。

Figure 1. F0 fish for the mating design of spawning experiments.

图1. F0代斑马鱼产卵实验设计

暴露结束前一周,从每组中随机选取F0代雌鱼和雄鱼进行产卵实验(图1)。采用两种产卵模式,得到四种类型的F1代。(1)Mode 1(双亲暴露-内部产卵):获得的F1代饲养于相应暴露液(type 1)和清水中(type 2);(2)Mode 2(单亲暴露-交叉产卵):暴露于IMI组的F0与SC组中的F0代产卵获得的F1代饲养于清水中(type 3),以及暴露于THM组的F0与SC组中的F0代产卵获得的F1代饲养于清水中(type 4)。主要研究结果如下:

1. IMI和THM长期暴露对F0代斑马鱼产生雌激素效应

长期暴露结束后,IMI和THM降低了亲代斑马鱼类固醇激素(T和E2)的水平(图2G,H),也降低了类固醇合成标志性基因cyp19a1a和hsd17b3的表达(图2F),表明IMI和THM具有显著的内分泌干扰效应。进一步研究发现,IMI和THM暴露后,F0代斑马鱼具有雌性化的趋势,并且显著增加了雌鱼晚期卵黄卵母细胞(LV)的面积(图2C),THM-L组增加了LV的百分比,IMI组也增加了雌鱼性腺指数(GSI)。IMI和THM暴露后还可导致精巢中未成熟精子细胞(IMA)增多(图2D,E)。同时,IMI和THM影响了细胞周期相关基因(cdc20和ccnb1)、生殖细胞相关基因(dnd1, ddx4和dazl)(图2F)的转录表达,解释了组织病理学结果。

性腺发育不良会进一步影响生殖功能。通过分析产卵量表明,IMI组暴露后的双亲产卵量和IMI组暴露后的雌鱼与SC组雄鱼交叉产卵量都增加。相反,IMI和THM组雄鱼与SC交叉产卵,产卵量减少(图2A,B),这与IMI和THM暴露后破坏了雄性斑马鱼的生殖功能密切相关。综上所述,IMI和THM暴露会促进亲代雌鱼卵巢成熟,而延迟亲代雄鱼精巢发育,影响产卵数量,还可能会进一步影响子代的生长发育,这会对鱼类种群造成严重后果。

Figure 2. Reproductive effects, histological changes, steroid hormone levels, and VTG concentrations in the gonads of IMI- and THM-exposed F0 adult zebrafish.

图2. IMI和THM暴露对F0代斑马鱼生殖、组织学、类固醇激素水平和VTG水平的影响

2. 雄性/雌性单亲暴露IMI和THM均诱导F1代斑马鱼发育毒性及内分泌干扰效应

本文显示,在子代中,双亲暴露饲养于清水的F1中T水平升高。亲代雄鱼或雌鱼暴露于IMI的F1和亲代雄鱼暴露于THM的F1中T水平均降低。此外,亲代雄鱼或雌鱼暴露的F1子代中E2水平均下降,这也与F0代斑马鱼卵巢结果一致。此外,24 hpf和60 hpf时,双亲以及单亲暴露饲养于清水中的F1代自发运动频率和心率都有显著性的增加(图3A-D)。

亲代雄鱼或雌鱼单亲暴露于IMI和THM后,在F1代中观察到hsd17b3转录水平降低。在M-THM-L的F1代中观察到cyp19a1a的转录水平下调。这些结果与其激素水平降低一致,并且与F0代的性腺中激素水平相似。此外,暴露于IMI雌或雄鱼产生的F1代中,dmrt1、ccnb1、dnd1和ddx4的转录表达水平均显著增加,这与F0雄鱼精巢的结果类似。根据F1代相关终点的相关性分析,单亲暴露与双亲暴露产生的子代呈显著正相关,表明亲代任何一方暴露于THM或IMI都会对子代产生不利影响。

Figure 3. Developmental toxicity in F1 generation derived from parents exposed to IMI/THM for 135 days.

图3. IMI和THM暴露对F1代斑马鱼的发育毒性

3. F1代斑马鱼中mRNA-lncRNA联合分析解释毒理机制

mRNA-lncRNA联合分析显示细胞周期、卵母细胞减数分裂和类固醇生物合成等相关通路在F1代中显著富集(图4E,F)。父母遗传给子代的lncRNA可在发育早期阶段改变子代基因组中的信息。lncRNA可通过顺式或反式模式调控基因转录表达。lncRNA可以作为分子支架,通过选择性剪接或改变染色质结构等RNA编辑过程调节mRNA加工,也可直接与mRNA结合,调控目标基因的表达。mRNA- lncRNA共表达分析有助于确定lncRNA与mRNA之间调控关系。本研究中,细胞周期、卵母细胞减数分裂和类固醇生物合成通路在F1代中显著富集,解释了内分泌干扰效应和发育毒性。例如lncRNA MERGE.4104.1(4.34 fold)与cdc20(3.08 fold)共表达。同时,PCNA影响卵泡的发育,在卵母细胞中高表达,lncRNA MERGE.2865.1反式调控pcna,两者均下降了1.23 fold。mRNA vcla(1.07 fold)参与心脏收缩,受lncRNA MERGE.6565.3(-1.13 fold)顺式调控。这些结果表明,在IMI和THM组中,lncRNA通过调控mRNA的转录表达诱导了子代的内分泌和发育毒性。

Figure 4. mRNA-lncRNA analysis in type 2 IMI-H, THM-H, and SC groups.

图4. F1代斑马鱼中mRNA-lncRNA联合分析

结论与意义

已有研究发现,环境相关浓度下IMI和THM暴露会影响大黄蜂群落的生长和繁殖以及非目靶标脊椎动物的生殖系统,包括精巢或卵巢毒性、受精成功率降低、孵化成功率降低和发育异常等。我们团队前期研究显示环境相关浓度下IMI和THM会显著影响斑马鱼幼鱼的神经发育,IMI甚至会改变群落结构,诱发蓝藻水华爆发。此外,基于环境监测数据显示,IMI和THM在地表水中的浓度均达到了几百ng/L甚至μg/L级别。本研究进一步表明,环境相关浓度的IMI和THM具有雌激素效应,即使单亲暴露也会引起代际效应,造成F1代斑马鱼产生内分泌干扰效应及发育毒性,对非靶标生物(如鱼类)种群构成生态风险。因此,IMI和THM对水生生物具有潜在的生殖健康风险。该研究有助于更完整地认识IMI和THM对水生生物的危害,为科学防控新烟碱类杀虫剂污染提供参考依据。

全文链接

Zhang, J.G.; Shi, W.; Ma, D.-D.; Lu, Z.-J.; Li, S.-Y.; Long, X.-B.; Ying, G.-G. Chronic Paternal/Maternal Exposure to Environmental Concentrations of Imidacloprid and Thiamethoxam Causes Intergenerational Toxicity in Zebrafish Offspring. Environ. Sci. Technol. 2023, 57 (36), 13384–13396. https://doi.org/10.1021/acs.est.3c04371.

Zhang, J. G.; Ma, D. D.; Xiong, Q.; Qiu, S. Q.; Huang, G. Y.; Shi, W. J.; Ying, G. G. Imidacloprid and Thiamethoxam Affect Synaptic Transmission in Zebrafish. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2021, 227, 112917. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112917.

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