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農科院植保所劉欣剛團隊揭示吡蟲啉對成年斑馬魚的視覺毒性及潛在分子機制

20231112日中國農業科學院植物保護研究所劉欣剛研究團隊在Science of the Total Environment雜志發表了“Imidacloprid affects the visual behavior of Mature zebrafish by mediating the expression of opsin and phototransduction genes and altering the metabolism of neurotransmitters”,揭示了吡蟲啉通過介導視蛋白和光轉導基因的表達,改變神經遞質的代謝,從而影響成年斑馬魚的視覺行為。


吡蟲啉是硝基亞甲基類內吸殺蟲劑,是煙堿乙酰膽堿受體的作用體,干擾害蟲運動神經系統使化學信號傳遞失靈,吡蟲啉對水生生態系統構成重大威脅。本研究探討了吡蟲啉對成年斑馬魚的視覺毒性及其分子機制。視動反應是指斑馬魚對移動的目標有一種追逐的行為,該反應可以用來檢測幼魚和成魚的視覺相關基因突變。視動反應(OKR)和視運動反應(OMR)測試是經典的用于檢測斑馬魚視覺功能異常的行為測試(OKR/OMR設備和分析軟件購自上海欣軟)。利用該設備在環境相關濃度暴露吡蟲啉21天后,檢測發現成年斑馬魚的視覺行為受損,Immunofluorescence Experiment表明,斑馬魚視網膜中視紫紅質的含量發生了明顯的變化。在成年斑馬魚中,基因表達節律在暗和亮光捕獲中起關鍵作用,以及光轉導的24小時被顯著破壞。靶向代謝組學分析顯示,與神經遞質功能相關的16種代謝物的含量發生了顯著變化,并在精氨酸生物合成、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝、色氨酸代謝等前三種代謝途徑中富集。這些結果表明,環境相關濃度的吡蟲啉暴露可通過干擾視蛋白的表達,影響斑馬魚成蟲視網膜中的光轉導而引起光毒性。


測試裝置為透明圓柱形魚缸,直徑為厘米,高7厘米,直徑8.5厘米的滾輪放置在魚缸周圍有光柵條(12個周期的黑白條紋)。外部光系統由兩個圓形光管組成,直徑為21厘米,調節亮度。實驗視頻是在帶攝像頭的顯微鏡(OLYMPUS SZX10,日本),可捕獲并記錄實時運動。所有OKROMR測試均已通常在10:0016:00之間進行。OKR/OMR設備和分析軟件對從眼球追蹤設備收集的數據進行分析以確定順時針和逆時針方向的網格刺激對眼球運動的影響。OMR測試中可檢測運動距離(m)、運動速度(m/s)、PPR時間(s)、PNR時間(s)和僵直時間(s)等。



與對照組相比,暴露于吡蟲啉濃度10 μg/L 21天,成年斑馬魚右眼受到順時針刺激時,慢相時間和反射增益均顯著減少,掃視運動頻率增加當改為逆時針刺激時,暴露于10 μg/L吡蟲啉的成年斑馬魚右眼左眼的慢相位時間以及反射增益均顯著減少。與對照組相比,10 μg/L濃度的吡蟲啉處理各組左右眼的眼跳運動頻率明顯增強。然而,濃度為1100 μg/L的吡蟲啉的斑馬魚的參數沒有顯著變化。這些結果表明,濃度為10 μg/L的吡蟲啉暴露影響了斑馬魚對視覺刺激的平穩跟蹤和準確、有效的快速眼球運動的能力,這可能會影響斑馬魚的運動協調。


成年斑馬魚在接受順時針和逆時針網格刺激時,行走距離和速度顯著下降,10 μg/L100 μg/L處理組斑馬魚的凍結時間顯著增加。此外,與對照組相比,10 μg/L吡蟲啉處理的成年斑馬魚在刺激方向的游泳時間顯著減少。這些結果表明,吡蟲啉暴露對成年斑馬魚的視覺系統處理和視覺引導下的自我運動的能力有負面影響,證實了OKR試驗的結果。


作者接下來進行組織病理學分析,以確定視網膜切片是否發生了形態學改變,視網膜層是否受到特異性影響。對照組和用藥組形態完整,形狀規則,由神經節細胞、內叢狀、內核、外叢狀、外核層、光感受器和色素細胞組成。Immunofluorescence Experiment使用特異性抗體標記視網膜中相應的標記物。結果顯示,Sox2Sry-box 2,視網膜祖細胞標記物)和Islet1ISL1基因,神經節細胞和神經節細胞標記物)的陽性細胞密度或陽性細胞百分比均無顯著差異。然而,與對照組相比,成年斑馬魚視網膜在10 μg/L后的陽性細胞密度和陽性細胞的百分比顯著降低。用藥組中視網膜色素上皮中的一種蛋白質Rpe65(類視黃醇異構水解酶65)的百分比顯著高于對照組。






10 μg/L的吡蟲啉暴露顯著改變了4個視蛋白基因的表達節律,即opn1mw3、opn1lw2、opn1sw2rho、一個轉導基因gnb3b和一個抑制蛋白基因arr3a與視網膜中的光轉導有關。此外,與視黃醇代謝相關的基因rpe65a的相對表達量也發生了顯著變化。然而,相對表達水平在24h期間的非視覺視蛋白基因opn3opn4b,和sox2,胰島1hcrt沒有顯著改變。




通過靶向代謝組學分析,研究了成年斑馬魚中吡蟲啉暴露后參與神經遞質功能的39種代謝物的改變。如圖顯示了吡蟲啉處理組與對照組的39種代謝物含量的熱圖。吡蟲啉暴露后,斑馬魚大腦中16種代謝物水平發生顯著變化,其中11種代謝物升高。KEGG通路分析顯示,有10條通路顯著富集,其中9條通路參與代謝,1條與遺傳信息處理相關。前三的代謝途徑是精氨酸生物合成;丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸代謝和色氨酸代謝。網絡分析可以直觀地探索為一個交互式網絡,其節點(代謝物)大小對應于節點度和基于兩個連接節點之間的相關性的邊緣厚度。六種富含丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝的代謝物和五種富含色氨酸代謝的代謝物主要通過L-谷氨酸相互作用和影響。

一些研究報告稱,吡蟲啉暴露在高劑量或亞致死劑量下誘發昆蟲視覺功能障礙。在本研究中,將成年斑馬魚暴露于環境相關濃度的吡蟲啉中21,結果表明,吡蟲啉暴露通過破壞視蛋白和光傳導級聯相關基因的表達節律,導致斑馬魚的視覺行為異常,導致色氨酸代謝失衡谷氨酸系統與光敏功能和視覺處理有關。作者的研究證實了新煙堿類殺蟲劑所造成的視覺毒性風險。此外,研究結果可能為晝夜節律和視網膜功能之間的相互作用提供證據。


- 上海欣軟,咨詢:400-833-6811 / 13262879783

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