2. 中国水产科学研究院东海水产研究所 上海长江口渔业资源增殖和生态修复工程技术研究中心 上海 200090;
3. 上海市水生野生动植物保护研究中心 长江口水生生物监测与保护联合实验室 上海 200092
2. Shanghai Yangtze Estuary Fishery Resources Proliferation and Ecological Restoration Engineering Technology Research Center, East China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200090, China;
3. Joint Laboratory for Monitoring and Conservation of Aquatic Living Resources in the Yangtze Estuary, Shanghai Aquatic Wildlife Conservation and Research Center, Shanghai 200092, China
微塑料(microplastics, MPs)是指粒径小于5 mm的塑料。近年来,由于塑料制品的广泛使用,微塑料污染俨然成为一个主要的生态和社会问题(Lebreton et al, 2017)。微塑料在陆地和水生生态系统中迁移、扩散,易对水生生态系统产生威胁(于翔等, 2021; Tian et al, 2019)。由于人类活动和工业发展,环境中80%的微塑料来自陆地,这些陆源微塑料通过空气和渗液传播,其中10%进入水生生态系统,最终汇聚至海洋,因此,沿海地区的微塑料污染受到广泛关注(Truchet et al, 2023; Vo et al, 2021)。研究表明,在太湖、鄱阳湖、洞庭湖、洪湖等长江流域大型湖泊中的微塑料浓度显著高于河流(Zhang et al, 2021)。长江口是中国最大的河流入海口,受潮汐与咸淡水的交织作用,生境复杂独特(杨钧渊等, 2023)。截至2014年,长江口地表水中的微塑料丰度为4 137微粒/m3 (Zhao et al, 2014)。长江口沉积物中的微塑料平均丰度为(121± 9) 微粒/kg (Peng et al, 2017)。水环境中,微塑料的大小与藻类相似,因此,微塑料易被鱼类、甲壳类等水生生物误食(Li et al, 2021)。进入水生生物体内的微塑料会诱导氧化应激、免疫毒性、生殖毒性和神经毒性等损害(Wei et al, 2023; 杜蕴超等, 2024)。
微塑料的“载体效应”受到越来越多的关注(Magara et al, 2018)。研究表明,微塑料可以吸附重金属等污染物(Vo et al, 2021)。硫酸铜(CuSO4)在水产养殖中广泛使用,主要用于控制寄生虫和病原菌引起的疾病,以及控制淡水中的蓝藻水华(Tavares-Dias, 2021; Zhang et al, 2016)。2003年,《中国渔业生态环境状况公报》指出以Cu2+浓度不超过0.01 mg/L为标准,但长江口水域Cu2+浓度高达0.07 mg/L (杨志彪等, 2006)。2006―2017年,长江流域水体中的Cu2+浓度最高达0.19 mg/L (何佳等, 2019)。高浓度的铜不仅会污染水生态环境,还对水生动物具有潜在毒性(Zhang et al, 2022)。Lauer等(2012)研究发现,过量的铜会抑制甲壳类动物参与糖酵解等能量代谢系统,从而影响抗氧化和免疫系统。长期Cu2+暴露会对印度对虾(Penaeus indicus)的谷胱甘肽系统造成抑制(Paila et al, 2012)。
研究表明,微塑料与其他污染物联合暴露对水生生物具有影响。微塑料和亚硝酸盐联合暴露14 d后,破坏了凡纳对虾(Penaeus vannamei)肠道微生物菌群平衡,导致氧化应激(Xing et al, 2024)。微塑料和镉共同暴露会导致黑鲫(Carassius carassius)肝损伤,并上调与免疫反应相关的基因转录(Wei et al, 2023)。目前,关于MPs和Cu2+联合暴露对水生生物肠道组织的影响已有报道,金鱼(Carassius auratus)的肠道在MPs和Cu2+联合暴露下发生炎症并抑制细胞凋亡(Zhang et al, 2022)。MPs和Cu2+联合暴露会破坏斑马鱼(Danio rerio)肠道细胞的线粒体形态并影响肠道菌群结构(Rong et al, 2024)。此外,尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)肠道微生物群的多样性和结构在MPs和Cu2+联合暴露下也发生了变化(Zhang et al, 2022)。相关研究表明,微塑料会对中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)造成损害并诱发氧化应激(Yu et al, 2018)。
中华绒螯蟹是长江流域渔业资源的重要物种,也是中国水产养殖业中经济价值较高的淡水蟹类(Chen et al, 2007)。每年生长至性成熟的中华绒螯蟹洄游至长江口进行交配和抱卵(张方圆等, 2024)。由于其底栖生活习性,中华绒螯蟹在水生环境中容易受到微塑料和重金属的影响(Yang et al, 2022)。中华绒螯蟹在摄食过程中,肠道直接与污染物接触,是最容易受感染的器官(Xue et al, 2021)。铜积累对中华绒螯蟹鳃和肝胰腺造成组织学损伤,并诱导肝胰腺的金属硫蛋白合成(Yang et al, 2007)。然而,关于这2种污染物联合暴露对中华绒螯蟹肠道组织的影响机制尚未见报道。
本研究采用RNA-Seq转录组测序技术对MPs与Cu2+单一及联合暴露下中华绒螯蟹肠道的基因表达差异进行分析,揭示环境相关浓度MPs与Cu2+对淡水生物的综合影响及其机制,以期为淡水生态系统中微塑料与铜污染防控提供参考支撑,以及为水产领域的环境安全评价提供科学基础。
1 材料与方法 1.1 实验样品及处理 1.1.1 实验材料实验用蟹选自人工养殖成蟹,平均体重为(92.27±10.34) g,于2023年11月运至实验室,置于经高锰酸钾消毒后的养殖缸中暂养2周。暂养期间,温度为(13±3) ℃,pH为7.0~7.5,溶解氧 > 6 mg/L。每日18:00投喂饲料(常州海大生物饲料有限公司),日投喂量为螃蟹总重量的1%,及时清理剩余饲料。
聚苯乙烯微塑料[(100.0±0.4) nm]购自天津倍思乐研究中心。CuSO4∙5H2O(≥99.0%),购自国药集团化学试剂有限公司,配制1 g/L的铜溶液母液置于棕色瓶中保存。
1.1.2 暴露实验根据环境中微塑料浓度并结合前期有关微塑料对中华绒螯蟹的毒性研究,微塑料实验浓度设置为0.4 mg/L (Liu et al, 2019)。根据环境中铜浓度并结合前期有关铜对中华绒螯蟹的毒性研究,铜实验浓度设为0.1 mg/L (Ren et al, 2011)。
暂养结束后,选取生长良好的个体置于玻璃缸(70 cm×43 cm×50 cm)中进行实验,以过滤后的自来水为D组(对照组),共设3个处理组:M组(微塑料暴露组)、C组(铜暴露组)和MC组(微塑料和铜共同暴露组)。每组设3个平行组,每个平行组包括20只实验蟹(雌蟹)。实验期间持续充氧,日投喂量为中华绒螯蟹总重量的1%,及时清理剩余饲料,每7 d换一次水,参考Yang等(2022)和Pan等(2023)的研究,暴露实验时间设置为21 d。
1.1.3 样品采集第21天采样,采样前24 h停止喂食。每组各随机取3只中华绒螯蟹作为生物学重复,采样前在冰上麻醉,快速分离其肠道,液氮速冻后置于–80 ℃冰箱中保存,用于后续转录测序。
1.2 总RNA提取、文库构建及测序使用TRIzol (Aidlab, 中国北京)方法提取肠道组织的总RNA,通过NanoDrop 2000分光光度计(Thermo Fisher Scientific, 美国)和琼脂糖凝胶电泳检测总RNA的浓度、纯度和完整性。对检验合格的RNA样品构建文库。将构建合格的文库使用NovaSeqX Plus平台进行测序。
1.3 测序数据质控、组装和功能注释采用Fastqc (Chen et al, 2018)软件对原始测序数据片段(raw reads)进行质量控制,去除包含接头的reads、序列末端低质量(质量值小于20)的碱基、含N比率超过10%的reads。然后采用HiSat2软件将质控数据与参考基因组比对,进行后续分析,并进行比对结果的质量评估。
1.4 基因表达水平和差异富集分析使用DESeq软件对差异表达基因(DEG)进行标准化及差异表达基因检测,筛选阈值为Padj < 0.05和|log2FC| > 1 (FC, fold change)。采用Goatools软件、Python scipy软件包对差异基因进行GO (gene ontology)和KEGG (kyoto encyclopedia of genes and genomes)数据库通路富集分析(Ashburner et al, 2000; Kanehisa et al, 2004)。
1.5 实时荧光定量PCR验证对筛选出的9个关键差异表达基因进行qRT-PCR验证,确保RNA-Seq检测结果的准确性。本研究选取β-actin作为内参基因,利用Primer Premier 5.0软件设计特异性引物,信息见表 1。每个基因进行3次平行实验,采用2–ΔΔCt方法计算相对表达量。
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表 1 qRT-PCR引物序列 Tab.1 Primer sequences used in qRT-PCR |
通过Illumina双端测序技术对胁迫处理21 d后的中华绒螯蟹肠道组织进行转录组测序,产生197 908 972个raw reads。过滤低质量数据后,D组、M组、C组和MC组分别获得51 911 548、42 924 544、57 484 980和43 429 502个clean reads,其GC含量分别为42.47%、39.29%、42.59%和42.58%,Q30为94.71%~95.48% (表 2)。共获得109 644个转录本,其中长度 > 1 800的转录本数目最多,有68 005个(表 3)。
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表 2 转录组测序质量和序列比对 Tab.2 Quality and sequence alignment of transcriptomics sequencing |
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表 3 转录本长度分布 Tab.3 Transcript length distribution |
如图 1所示,在暴露21 d后的肠道转录组中,与对照组相比,M组包括1 650个上调DEGs和1 874个下调DEGs;C组包括3 797个上调DEGs和1 073个下调DEGs;MC组包括1 492个上调DEGs和1 305个下调DEGs。与MC组相比,M组包括1 136个上调DEGs和1 633个下调DEGs;C组包括3 505个上调DEGs和1 093个下调DEGs。
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图 1 差异表达基因分析 Fig.1 Analysis of differentially expressed genes A~E:差异表达基因火山图;F:差异表达基因韦恩图 A~E: Volcano map of DEGs; F: Venn diagram of DEGs |
与抗氧化系统、免疫防御和能量代谢有关的DEGs在5个比较组之间显著差异表达。在M vs D、C vs D、MC vs D中,抗氧化系统中超氧化物歧化酶(sod)均显著上调,过氧化氢酶(cat)、过氧化还原蛋白(prdx)均显著下调;免疫防御系统中三结构域蛋白(trim)、Toll样受体(tlr)、补体第1成分(c1)均显著上调,细胞色素P450(cyp450)均显著下调;能量代谢系统中碳酸酐酶(ca)均显著上调,囊泡型腺苷三磷酸酶(v-atpase)均显著下调。
2.3 差异表达基因的GO富集分析差异基因GO富集分析结果显示,在M vs D中,DEGs显著富集的GO功能主要包括ATP代谢过程(ATP metabolic process)、单羧酸代谢过程(monocarboxylic acid metabolic process)、嘌呤核糖核苷酸代谢过程(purine ribonucleotide metabolic process)等;在C vs D中,DEGs显著富集的GO功能主要包括RNA 3'末端加工(RNA 3'-end processing)、tRNA代谢过程(tRNA metabolic process)、rRNA代谢过程(rRNA metabolic process)等;在MC vs D中,DEGs显著富集的GO功能主要包括防御响应(defense response)、免疫应答(immune response)、细胞外区域(extracellular region)等(图 2)。
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图 2 DEGs的GO富集分析(富集排名前20) Fig.2 GO enrichment analysis of DEGs (top20) |
在M vs D中,肠道1 594个DEGs富集到333个通路,其中,显著富集到34个通路(Padj < 0.05),主要包括化学致癌-活性氧(chemical carcinogenesis-reactive oxygen species)、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)、谷胱甘肽代谢(glutathione metabolism)等。在C vs D中,肠道2 445个DEGs富集到340个通路,其中,显著富集到9个通路(Padj < 0.05),主要包括DNA复制(DNA replication)、抗叶酸(antifolate resistance)、ABC转运体(ABC transporters)等。在MC vs D中,肠道1 198个DEGs富集到326个通路,其中,显著富集到14个通路(Padj < 0.05),主要包括补体和凝血级联(complement and coagulation cascades)、细胞色素P450对异生素的代谢(metabolism of xenobiotics by cytochrome P450)、ABC转运体(ABC transporters)等(图 3)。
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图 3 DEGs的KEGG富集分析(富集排名前20) Fig.3 KEGG enrichment analysis of DEGs (top20) |
对抗氧化系统、免疫防御和能量代谢相关的通路进行分析。谷胱甘肽代谢(glutathione metabolism)通路中,M vs D中多数DEGs显著下调,包括葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase, g6pd)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, gsh-px)、谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferase, gst)等;MC vs D中g6pd表达显著下调,gsh-px和gst在C vs D和MC vs D中均显著下调,而gsh-px在M vs MC、C vs MC中均显著上调。
细胞色素P450对异生素的代谢作用(metabolismof xenobiotics by cytochrome P450)通路中,葡萄糖醛酸转移酶(UDP-glycosyltransferase, ugt)的基因在M vs D、C vs D中显著上调,MC vs D中显著下调,而在M vs MC、C vs MC中显著上调。gst在M vs D、C vs D、MC vs D中均显著下调。
在补体和凝血级联通路中,凝血因子B (clotting factor B)基因在M vs D、C vs D和MC vs D中均显著下调,凝血因子G (clotting factor G)基因在M vs D、MC vs D中显著下调,在C vs D、C vs MC中显著上调。
在氧化磷酸化通路中,M vs D中多数DEGs显著下调,包括NADH脱氢酶(NADH dehydrogenase, nd)、ATP合酶(ATP synthase, atpase)、细胞色素氧化酶(cytochrome c oxidase subunit, cox)等;而C vs D中cox表达显著上调,MC vs D中cox表达显著下调。
2.5 qRT-PCR验证结果选取9个关键差异基因进行qRT-PCR验证,结果显示,9个差异基因表达结果与转录组测序获得的基因表达趋势一致(图 4)。因此,qRT-PCR验证结果证实了RNA-seq数据的可靠性和准确性。
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图 4 差异表达基因的qRT-PCR及转录组的比较分析 Fig.4 Comparison of DEGs by qRT-PCR and transcriptome analysis |
氧化应激是微塑料在生物体中诱导应激和毒性的主要机制(Magni et al, 2018)。在微塑料胁迫下,中华绒螯蟹体内会富集微塑料,增加活性氧(ROS)水平,进而激活细胞抗氧化防御系统以抵御氧化应激(Sarasamma et al, 2020)。Cu2+暴露会诱发水生动物的氧化应激,例如,暴露于Cu2+会增强凡纳对虾(Qian et al, 2020)和蓝蟹(Callinectes sapidus)(Brouwer et al, 1998)肝胰腺中SOD和GSH-Px等抗氧化酶的活性。
KEGG富集分析显示,有25、27和15个与谷胱甘肽代谢通路相关的DEGs分别在M vs D、C vs D和MC vs D中富集。谷胱甘肽代谢是抗氧化应激的重要抗氧化系统之一,在调节氧化应激方面起着重要作用(Wu et al, 2004)。谷胱甘肽过氧化物酶基因(gsh-px)编码GSH-Px酶,可催化谷胱甘肽(GSH)和过氧化氢(H2O2)生成谷胱甘肽二硫醚(GS-SG)和水(H2O),并防止氧化应激对细胞的不利影响(Liang et al, 2022)。g6pd的主要功能是产生NADPH,NADPH是对抗氧化剂的关键电子供体,gst可保护细胞免受氧化应激和细胞死亡等影响(Saetan et al, 2020)。g6pd在M vs D、MC vs D中显著下调,gsh-px和gst在M vs D、C vs D和MC vs D中均显著下调,gsh-px在M vs MC、C vs MC中均显著上调。这可能表明无论是MPs还是Cu2+单一或联合暴露均对谷胱甘肽代谢通路产生了抑制,而MPs与Cu2+联合暴露对gsh-px的抑制作用更强。
CAT通常在需氧生物的组织细胞中去除多余的H2O2,从而减轻氧化损伤(Olsvik et al, 2005; Wang et al, 2018)。在本研究中,M组、C组和MC组的cat表现出显著降低的水平,可能导致过量的ROS产生。ROS诱导脂质过氧化,破坏细胞成分和线粒体功能,降低ATP水平,从而激活线粒体和内质网途径介导的细胞凋亡(Zhang et al, 2023)。MPs与Cu2+的单一和联合暴露均导致了中华绒螯蟹抗氧化防御系统的失衡。这与河蚬(Corbicula fluminea)应对微囊藻毒素和微塑料胁迫时的情况相似(Zhang et al, 2023)。
3.2 免疫防御肠道是各种有毒物质进入水生动物体内的重要途径(Maharajan et al, 2016)。MPs和Cu2+共同暴露会诱发肠道杯状细胞病变,进而诱导免疫反应(Zhang et al, 2022)。CYP450是主要参与药物、内固醇、环境污染物等外源性物质和内源性物质代谢的酶系,其中约有三分之一的CYP450参与外源性物质代谢过程,可用于评估环境污染(Guengerich et al, 2013; Zhang et al, 2012)。KEGG富集分析结果表明,药物代谢–细胞色素P450通路以及细胞色素P450对异生素的代谢通路在M vs D、MC vs D中均显著富集。CYP450通路中编码UGT的基因在M vs D、C vs D中显著上调,MC vs D中显著下调,而在M vs MC、C vs MC中显著上调。推测可能是MPs与Cu2+联合暴露比单一暴露对ugt的抑制作用更强,ugt基因表达下调。编码GST的基因在M vs D、C vs D、MC vs D中均显著下调,说明gst基因表达在3个实验组中均受到抑制。CYP450属于生物转化的Ⅰ相解毒酶,而GST和UGT属于Ⅱ相解毒酶(陈璐等, 2024)。异生素的吸收、代谢和细胞排泄过程可分为4个阶段,GST和UGT通过与药物代谢酶(DMEs)介导的生物转化第一阶段的代谢产物结合,防止共轭反应,从而发挥解毒作用(Esteves et al, 2021)。鱼类通过葡萄糖醛酸化途径代谢外源性物质,从而保护自身(Wang et al, 2014)。在小鼠的暴露实验中,胁迫后的GST表达显著上调(Zhang et al, 2012)。本研究中,cyp450在M vs D、C vs D和MC vs D中均显著下调。cyp450在水生生物的免疫毒性反应中发挥重要作用,许多环境污染物可诱导cyp450的异常调节(Burkina et al, 2015)。暴露于微塑料和菲(phenanthrene)单一及联合胁迫24 d后,斑马鱼鳃中cyp450基因的表达显著上调(Xu et al, 2021)。
凝血系统是一种主要的血源性蛋白水解级联反应机制。凝血级联激活后,由丝氨酸蛋白酶介导的一系列序列裂解事件随之展开。凝血酶从其凝血酶原中被激活,催化纤维蛋白的聚合,将可溶性纤维蛋白原转化为不溶性纤维蛋白,从而形成血凝块(Felisbino et al, 2021)。KEGG富集分析结果表明,补体和凝血级联通路在M vs D、MC vs D中显著富集,凝血因子B基因在M vs D、C vs D和MC vs D中均显著下调,凝血因子G基因在M vs D、MC vs D中显著下调,在C vs D、C vs MC中显著上调。推测MPs单一暴露、MPs与Cu2+联合暴露对凝血因子G的抑制作用比Cu2+单一暴露更强。凝血因子B和G在甲壳类动物的凝血系统中发挥关键作用,当病原体入侵时,甲壳类动物通过凝血系统的级联反应产生血凝块,从而提高免疫防御能力(Shen et al, 2023)。
综上,肠道作为免疫系统的第一道防线,免疫防御相关通路及基因(cyp450、ugt、gst、凝血因子B和G等)表达发生变化,可能与肠道屏障修复、炎症反应调节等相关机制有关(Dalmo et al, 1997; Günther et al, 2018)。MPs和Cu2+单一或联合暴露均抑制了中华绒螯蟹的免疫防御系统。
3.3 能量代谢水生动物摄食的微塑料会在肠道中停留,不仅会阻碍食物的正常吸收,还会导致能量和脂质代谢失调,并通过调节能量消耗的细胞通路来维持细胞能量稳态(Cedervall et al, 2012; Dong et al, 2016; Jost et al, 2015; Sarasamma et al, 2020)。肠道是水生动物重要的消化器官,MPs和Cu2+共同暴露会改变肠道菌群的结构,导致代谢紊乱和疾病发生(Rong et al, 2024; Zhang et al, 2022)。氧化磷酸化是生物体中能量代谢的重要过程,在线粒体内膜上进行,通过产生线粒体膜电位,合成ATP并驱动线粒体蛋白和代谢物的转运,将氧化(放能)和磷酸化(储能)偶联在一起(刘思琪, 2020)。KEGG富集分析结果显示,在M vs D中,41个与氧化磷酸化通路相关的DEGs全部显著下调,而在C vs D和MC vs D中,均只有7个与氧化磷酸化通路相关的DEGs富集。cox在M vs D和MC vs D中表达下调,在C vs D中表达上调。atpase仅在M vs D中表达显著下调。cox编码线粒体呼吸链中的终端酶——细胞色素氧化酶,其将电子从细胞色素转移到分子氧,形成线粒体内膜上的电子梯度,决定线粒体含量和活性(Galati et al, 2009)。cox表达降低可能对线粒体呼吸链活动和细胞稳态产生重大影响(Zhang et al, 2023)。atpase是编码ATP合酶的基因,该酶通过磷酸化过程合成ATP,供给机体能量。破坏氧化磷酸化途径可能会降低线粒体膜电位并增加ROS的产生,线粒体功能异常会减少ATP的产生(Fan et al, 2019)。
GO分析表明,与能量代谢相关的ATP代谢过程、碳水化合物代谢过程、草酸代谢过程等在M vs D中显著富集。而在C vs D和MC vs D中,与能量代谢相关的显著富集通路较少。研究结果表明,MPs暴露对氧化磷酸化通路具有抑制作用,并显著影响能量代谢系统,而Cu2+暴露及MPs与Cu2+联合暴露对能量代谢系统的影响较小。
4 结论MPs与Cu2+单一及联合暴露对中华绒螯蟹肠道组织的影响研究表明,在M、C和MC组中,肠道组织的谷胱甘肽代谢通路、免疫防御相关通路及基因(cyp450、ugt、凝血因子B和G等)均受到抑制。在M vs D中,氧化磷酸化通路中富集的DEGs达41个,MPs暴露对该通路的抑制作用强于Cu2+暴露及MPs与Cu2+共同暴露。研究结果揭示了MPs和Cu2+对中华绒螯蟹抗氧化、免疫防御和能量代谢的影响机制,为中华绒螯蟹养殖和环境毒性研究提供了理论参考。
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