微囊藻毒素对摇蚊幼虫毒性作用及其机制研究取得进展

本文转自：中科院之声
水体富营养化及全球气候变化双重胁迫下，全球范围内淡水生态系统中蓝藻水华暴发的频率呈上升加剧趋势。其中，微囊藻水华尤为严重，易在夏季出现并在水面聚集。微囊藻在失去浮力后会下沉到沉积物-水界面，当细胞裂解时会释放大量微囊藻毒素（microcystin ， MCs）。然而，目前关于微囊藻及其次生代谢产物对底栖动物优势种的潜在危害鲜有研究。中国科学院水生生物研究所湖泊修复生态学学科组研究人员以苍白摇蚊(Chironomuspallidivittatus）为研究对象，评价了微囊藻及其释放溶解态毒素MC-LR对摇蚊的毒性作用及其机制。
研究发现，与不产毒惠氏微囊藻相比，产毒铜绿微囊藻明显抑制幼虫累积羽化率和筑巢能力，幼虫运动能力（即运动距离和速度）和成虫干重也显著下降。铜绿微囊藻和惠氏微囊藻的混合喂养显著抑制了幼虫的运动能力，提高了幼虫死亡率，这可能是两种微囊藻协同作用的结果（图1）。研究证实了有毒的铜绿微囊藻对摇蚊幼虫的行为和生活史特征产生明显影响。
在上述研究基础上，科研人员进一步分析了溶解态微囊藻毒素（MCLR）对底栖无脊椎动物摇蚊幼虫的急性与慢性毒性作用及其潜在作用机制（图2-4）。在MC-LR较低浓度的暴露下，科研人员通过对C.pallidivittatus生活史性状、肠道菌群和转录组进行分析，发现短期数十天内幼虫的体长和湿重明显降低（35.61%和21.92% ，图2），幼虫羽化时间延长，肠内线粒体受损，氧化应激增强，脂质代谢紊乱，谷胱甘肽s转移酶和超氧化物歧化酶分别升高了32.44%和17.41% 。此外，研究还发现MC-LR改变了肠道菌群的多样性和丰度，有利于致病菌和MC降解菌的生长（图3）。通过转录组分析，研究发现MC-LR胁迫下对照组与实验组有261个差异表达基因， MC-LR可通过刺激PPAR信号通路上调脂肪酸的生物合成和延伸引起摇蚊体内脂质积累，导致脂质代谢失调。此外，低浓度MC暴露诱导的解毒作用和抗氧化反应表明摇蚊幼虫具有潜在的MC-LR解毒能力（图4）。
研究结果有助于了解有害蓝藻水华及其释放毒素对富营养化湖泊底栖动物优势种摇蚊幼虫的影响及作用机理，并加深对底栖动物优势种的生态学意义的认知，为富营养化湖泊的生态风险评价提供理论指导。
上述研究成果分别发表于ScienceofTheTotalEnvironment和EnvironmentalPollution上。研究工作得到国家自然科学基金面上项目、中德国际合作项目以及中科院青年创新促进会项目等的资助。

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图1.产毒和不产毒的微囊藻对摇蚊幼虫的行为和生活史的影响

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图2.MC-LR对C.pallidivittatus发育和生活史性状的影响：（a）湿重（mg；平均±SD）；（b）体长（mm；平均±SD）；（c）累计羽化率（%）；（d）成虫干重（mg；平均±SD）；（e）性别比例。星号表示显著性差异（P<0.05）

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图3.（a）MC-LR影响幼虫肠道菌群科水平上的多样性。 CK1-6和TA1-6分别为对照组和实验组；（b）对照组和处理组的细菌属相对丰度差异显著(P<0.05)；（c）主坐标分析（PCoA）图

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【微囊藻毒素对摇蚊幼虫毒性作用及其机制研究取得进展】图4.MC-LR胁迫下苍白摇蚊脂质积累、细胞凋亡和解毒的潜在机制的机理示意图