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多环芳烃胁迫下菲律宾蛤仔的适应机制:积累与排泄

期刊:Journal of Hazardous MaterialsDOI:10.1016/j.jhazmat.2024.136404

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主要作者与机构
本研究的作者包括Yueyao Zhou、Zhiheng He、Qiuhong Xu、Songhui Xie、Pengfei Li、Qiaoqiao Wang、Jingjing Miao和Luqing Pan。研究由中国海洋大学(Ocean University of China)的教育部海洋养殖重点实验室(The Key Laboratory of Mariculture, Ministry of Education)完成。研究论文发表于《Journal of Hazardous Materials》期刊,发表日期为2024年11月4日。

学术背景
本研究聚焦于海洋生物学与环境污染领域,特别是双壳类动物(如菲律宾蛤仔,Ruditapes philippinarum)在多环芳烃(PAHs)胁迫下的适应机制。持久性有机污染物(POPs)因其高亲脂性易于在生物体内积累,而双壳类动物尽管面临环境污染,仍保持了较高的物种多样性。然而,关于双壳类动物对POPs的适应机制的研究较为缺乏。本研究选择了典型的多环芳烃——苯并[a]芘(Benzo[a]pyrene, B[a]P),探讨了菲律宾蛤仔在B[a]P胁迫下的积累与排泄机制。研究旨在揭示B[a]P在蛤仔体内的积累形态、脂质代谢调控模式以及排泄机制,为双壳类动物的毒理学研究及健康养殖提供科学依据。

研究流程
研究包括多个步骤,详细流程如下:

  1. 实验动物与暴露设计
    研究选用健康的菲律宾蛤仔(Ruditapes philippinarum),来自中国青岛的养殖场。蛤仔在实验室条件下适应一周后,分别暴露于不同浓度的B[a]P(0、0.8、4和20 μg/L)中。暴露时间根据性腺发育阶段分为增殖期(Pro)、生长期(Gro)、成熟期(Mat)和产卵期(Spa)。每个浓度设置三个平行组。

  2. 荧光染色与激光共聚焦显微镜观察
    在成熟期和产卵期,分别取卵巢和精巢样本,通过胰酶消化获得卵母细胞和精母细胞。使用尼罗红染料(Nile Red)染色脂滴,B[a]P则通过激光共聚焦显微镜(Leica TCS SP8)观察其荧光分布。通过荧光共定位分析,验证B[a]P与脂滴的关系。

  3. B[a]P含量分析
    使用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)测定蛤仔不同组织(性腺、消化腺、鳃、闭壳肌、外套膜和软组织)中的B[a]P含量,分析其积累特征。

  4. 脂质代谢相关指标测定
    通过油红O染色(Oil Red O Staining)观察性腺中的中性脂质含量,并使用甘油三酯(TG)测定试剂盒检测各组织中的TG含量。同时,计算性腺指数(Gonadosomatic Index, GSI),评估性腺发育状态。

  5. 转录组与脂质组分析
    在成熟期和产卵期,分别取卵巢和精巢样本进行转录组和脂质组测序。通过差异表达基因(DEGs)筛选和KEGG通路富集分析,揭示B[a]P对脂质代谢和排泄相关基因的调控模式。同时,分析差异脂质分子的分布特征,特别是甘油三酯(TGs)的碳原子数和双键数。

  6. 排泄相关生理指标测定
    通过酶联免疫吸附试验(ELISA)测定卵巢和精巢中的黄体生成素(LH)和孕酮(Progesterone)含量,评估B[a]P对蛤仔排泄能力的影响。同时,计数成熟卵母细胞和精子的数量,分析B[a]P对生殖细胞排泄的影响。

主要结果
1. B[a]P的积累形态与特征
激光共聚焦显微镜图像显示,B[a]P与脂滴在卵母细胞和精母细胞中存在显著共定位。随着性腺发育,脂滴数量和B[a]P积累量逐渐增加,而在产卵期后显著减少。B[a]P在卵巢中的积累量高于精巢,且在消化腺中的积累量最高。

  1. 脂质代谢的变化
    转录组和脂质组分析表明,B[a]P显著上调了卵巢中与脂质合成相关的基因表达,而在精巢中则表现出抑制作用。脂质组结果显示,卵巢中上调的TGs主要分布在48-58个碳原子和6-12个双键的范围内,而精巢中上调的TGs则分布在48-58个碳原子和4-14个双键的范围内。

  2. 排泄机制的研究
    B[a]P显著提高了雌性蛤仔的排泄能力,表现为卵巢中排泄相关基因(如激素调控、生长因子、炎症因子和蛋白裂解酶)的上调。然而,B[a]P对雄性蛤仔的排泄能力表现出复杂的影响,在低浓度(4 μg/L)下促进排泄相关基因的表达,而在高浓度(0.8和20 μg/L)下则抑制其表达。

结论与意义
本研究首次揭示了B[a]P在菲律宾蛤仔体内的积累与排泄机制,特别是其与脂滴的共定位现象。研究结果表明,B[a]P通过干扰脂质代谢影响蛤仔的性腺发育和排泄能力,且雌雄蛤仔对B[a]P的响应模式存在显著差异。这些发现为双壳类动物的毒理学研究提供了新的视角,同时也为海洋生态环境保护和健康养殖提供了科学依据。

研究亮点
1. 首次在海洋无脊椎动物细胞中证实了B[a]P与脂滴的共定位现象。
2. 揭示了B[a]P对蛤仔脂质代谢的性别特异性调控模式。
3. 阐明了B[a]P在蛤仔生殖过程中的排泄机制,特别是其通过卵母细胞和精母细胞排泄的差异。
4. 通过转录组和脂质组分析,揭示了B[a]P对脂质代谢和排泄相关基因的调控网络。

其他有价值的内容
本研究还探讨了B[a]P对蛤仔性腺发育的影响,发现B[a]P显著降低了性腺指数,并干扰了卵巢和精巢的结构完整性。此外,研究还提出了B[a]P在蛤仔体内的迁移与排泄可能通过脂蛋白介导的运输机制实现,这为后续研究提供了新的方向。


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