湖南农业大学杨惠麟团队ES&T：转录组变化揭示镉铅联合暴露对大腹园蛛产丝和结网行为的毒性机制

图片摘要

成果简介

近日，湖南农业大学环境与生态学院杨惠麟副教授团队和湖南师范大学王智教授团队在环境领域著名学术期刊 Environmental Science & Technology 上发表了题为“ Transcriptome Changes Reveal the Toxic Mechanism of Cadmium and Lead Combined Exposure on Silk Production and Web-Weaving Behavior of Spider A. ventricosus ”的论文 。该论文从生理学、细胞形态学和转录组水平探究了镉铅联合暴露对成年雌性大腹园蛛蛛丝生产和结网行为的毒性效应及潜在机理。研究发现镉铅联合暴露显著抑制蜘蛛的产丝能力和结网行为。转录组水平鉴定的蛋白质合成基因、蛛丝蛋白基因、 AChEs 和 Glu 基因、 Far 基因和细胞骨架微管蛋白基因可能是毒性效应的潜在生物标志物。该研究为了解农田重金属复合污染的生态毒理效应和机制提供了理论依据 。

蜘蛛是重要的捕食性天敌，在调节农业生态系统害虫种群方面发挥重要作用。蜘蛛具有食性广、繁殖力高和抗性强的特点，被认为是污染物的理想指示生物。产丝织网是蜘蛛赖以生存的重要生理机能。壶腹腺是蜘蛛重要的丝腺体，脑神经节作为中枢神经系统负责调控产丝和织网相关的生理功能。蛛网化学成分和物理结构的任何变化都会显著影响结网型蜘蛛的生存及其在生态系统中的功能。镉（ Cd ）和铅（ Pb ）等污染物对生物体产生一系列毒性作用。镉被证明对蛛丝的物理化学特性产生不利影响。铅镉复合污染在农业生态系统重金属污染中较为普遍。然而，对于重金属复合污染的生态毒理效应研究还非常有限。大腹园蛛 AraneusVentricosus （ A.Ventricosus ）是一种常见的农田结网型蜘蛛，主要捕食鳞翅目、鞘翅目、半翅目等害虫。本研究以大腹园蛛为研究对象，探讨镉铅联合暴露对蜘蛛产丝和结网行为的毒性效应以及潜在的分子机制，为深入了解多种重金属复合污染的生态毒理效应和机制提供参考 。

图文导读

镉铅联合暴露对大腹园蛛结网行为的影响

首先， Cd 和 Pb 的暴露浓度和暴露模式（单一暴露和联合暴露）对蜘蛛结网时间的影响存在显著差异，暴露模式对结网位置具有显著影响。所有金属暴露组的下部结网频率均显著升高（图 1C ）。联合暴露低浓度组中不结网频率增加了 4.86 倍（图 1F ），联合暴露低、高浓度组夜间结网频率分别增加了 4.06 和 3.71 倍（图 1I ）。结果表明， Cd 和 Pb 联合暴露显著诱导了蜘蛛夜间结网活动，增加了不结网频率，降低结网位置。镉和铅的联合毒性对大腹园蛛结网行为产生了显著不利影响 。

壶腹腺和脑神经节的细胞形态学分析

生物透镜结果显示，对照组细胞核完整，分泌液滴正常排入腺腔（图 2A ， E ）。在 Cd 暴露中浓度组中，充满储备物质的液滴已被大量空泡取代，伴随凋亡细胞核和凋亡细胞（图 2B ， F ）。在 Pb 暴露中浓度组，具有电子透明物的液泡非常少，反而出现了大量自噬体和凋亡细胞核（图 2C ， G ）。在 Cd 和 Pb 联合暴露中浓度组中，观察到大量含有电子透明物的液泡，以及核凋亡、吞噬体和自噬体（图 2D ， H ）。对照组神经元具有大量的突触小泡，神经递质正常释放到突触裂隙中（图 2I ， M ），细胞核完整，突触基底层清晰。相反，镉、铅暴露中浓度组的细胞核和突触基底层均表现出凋亡特征（图 2J ， N ， K ， O ）。镉暴露中浓度组可见凋亡的突触小泡。在铅暴露中浓度组中同时观察到大量凋亡细胞和完全凋亡的突触，突触间隙不明显，无神经递质释放（图 2L 、 P ）。结果表明，暴露于镉和铅后，壶腹腺分泌细胞的形态结构和分泌功能，以及脑神经节突触小泡明显受损。而且， Cd 和 Pb 的联合暴露对壶腹腺和脑神经节细胞超微结构的损伤具有协同作用 。

壶腹腺和脑神经节差异基因 (DEGs) 的鉴定和富集分析

图 3A 中鉴定了 30 个显著上调的壶腹腺蛛丝蛋白（ MaSp 、 AgSp 和 MiSp ） DEGs 。 GO 富集分析发现（图 3C ），所有暴露组的 DEGs 主要与合成和代谢以及抗氧化相关，包括脂质代谢过程、生物合成过程、氧化还原酶活性、肽酶活性和细胞骨架等。对 Cd 和 Pb 联合暴露中浓度组进行 KEGG 通路分析表明，与代谢相关的通路被显著富集，如 AMPK 信号通路、 PPAR 信号通路以及精氨酸和脯氨酸代谢（图 3D ）。在精氨酸和脯氨酸代谢通路中发现 10 个编码氨基酸代谢酶（ speE 、 P4Ha 、 AK 、 MAO ）的基因显著下调，表明氨基酸代谢受到抑制。编码脂肪酰基 CoA 还原酶（ Far1 、 Acsl5 和 CG5065 ）和过氧化物酶体酶（ Hsd17b4 和 AGPS ）的 9 个上调基因被注释到与氧化应激相关的过氧化物酶物通路（过氧化物酶和溶酶体），这表明有严重的氧化应激损伤。此外，大量与神经递质合成和释放蛋白相关的上调基因（包括 ChAT 、 VAChT 、 VGCC ）富集到神经调节胆碱能突触通路，提示神经递质被显著诱导。同时，发现大量与乙酰胆碱酯酶（ AChEs ）相关的 DEGs ，包括 ACHE 和 ARA1 ，以及谷氨酸相关基因（ GluClalpha 、 GRIK3 、 Slc17a6 ）（图 3B ） 。

通过蛋白质 - 蛋白质相互作用网络（ PPI ）和 MCODE 分析获得总体调节网络。在 Cd 和 Pb 联合暴露中浓度组中鉴定了三个互作模块（图 S11A ），它们分别与核糖体和糖酵解、抗氧化功能和突触囊泡循环显著相关（图 S11B ），模块的中枢基因分别为 Gapdh2 、 alphaTub 和 Unc13a 。此外， cytoHubba 分析结果支持了上述结论 。

转录组水平机理研究

该研究表明， Cd 和 Pb 联合毒性导致大腹园蛛产生但不限于氧化损伤、细胞退行性变化、神经调控和氨基酸合成代谢紊乱，从而抑制蛛丝产生和结网能力。转录组学结果推论，下调的蛋白质合成基因和改变的蛛丝蛋白基因，以及上调的 AChEs 和 Glu 基因可能分别是抑制蛛丝蛋白合成，和干扰结网行为的神经调控的响应基因。此外，氧化损伤和细胞退行性变化可能与上调的 Far 基因和下调的细胞骨架微管蛋白基因的响应有关（图 5 ） 。

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