中華稻蝗對(duì)重金屬鎘的解毒機(jī)制研究.pdf

1、鎘(Cadmium，Cd)是一種毒性極強(qiáng)的金屬元素，能對(duì)人體健康造成不良影響。在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中，鎘可通過(guò)農(nóng)作物的吸收在食物鏈各環(huán)節(jié)間轉(zhuǎn)移和累積，對(duì)生物體正常的生理生化代謝產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時(shí)鎘污染還加劇了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的惡化，最終影響到人類(lèi)的身體健康。昆蟲(chóng)是自然界中分布最廣泛的動(dòng)物類(lèi)群，極易受到重金屬等環(huán)境因子的脅迫。已有大量研究表明，環(huán)境中的鎘可通過(guò)呼吸、表皮滲透和攝食等途徑進(jìn)入昆蟲(chóng)體內(nèi)。而在鎘脅迫對(duì)昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育和生理機(jī)能產(chǎn)生影響的同時(shí)

2、，昆蟲(chóng)也發(fā)展了各種防御或解毒機(jī)制來(lái)減少過(guò)量重金屬的危害，維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。
　　植食性昆蟲(chóng)中華稻蝗Oxyachinensis是一種重要的農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)，主要以禾本科植物為食。當(dāng)中華稻蝗取食被鎘污染的農(nóng)作物或其它雜草時(shí)，環(huán)境中的鎘便會(huì)通過(guò)食物鏈在其消化道等部位累積。本文以中華稻蝗為實(shí)驗(yàn)材料，從生化水平和分子水平對(duì)重金屬鎘的解毒機(jī)理進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。全文共分為五部分:
　　一、為研究重金屬在中華稻蝗自然種群體內(nèi)的累積分布，以山

3、西省代縣水稻田中華稻蝗為研究對(duì)象，用火焰原子吸收法測(cè)定中華稻蝗不同組織部位的鎘和鉻含量。研究結(jié)果表明:鎘和鉻在中華稻蝗自然種群不同組織部位的富集量不同，且雌雄間存在差異。鎘在雌蟲(chóng)體內(nèi)的富集順序?yàn)?中腸＞后腸＞前腸＞翅＞頭＞卵巢＞足＞體壁;在雄蟲(chóng)體內(nèi)為中腸＞前腸＞后腸＞足＞頭＞體壁。鎘在雌雄中華稻蝗消化道內(nèi)均有較高的富集，其中中腸的累積量最高，且與其它組織部位存在顯著差異。中華稻蝗雌蟲(chóng)各組織部位對(duì)鉻的累積濃度依次為中腸＞足＞體壁＞頭＞卵巢

4、＞前腸＞翅＞后腸，中華稻蝗雄蟲(chóng)體內(nèi)鉻濃度的分布依次為足＞體壁＞中腸＞頭＞前腸＞精巢＞后腸。多因素方差分析結(jié)果表明，自然條件下雌雄中華稻蝗對(duì)重金屬鎘和鉻的累積具有組織特異性，且兩種重金屬在中華稻蝗體內(nèi)的累積規(guī)律有所不同。
　　二、為了研究重金屬鎘在植食性昆蟲(chóng)中的累積和排泄規(guī)律，本文通過(guò)鎘慢性染毒的方法，用不同濃度鎘溶液培養(yǎng)的麥苗飼喂中華稻蝗，研究了食物鎘染毒對(duì)中華稻蝗形態(tài)特征的影響，采用原子吸收法測(cè)定不同齡期蟲(chóng)體（2齡到成蟲(chóng)）整蟲(chóng)、

5、糞便和蛻中的鎘蓄積量。研究結(jié)果表明，高濃度鎘對(duì)中華稻蝗的生長(zhǎng)有顯著的抑制作用。整蟲(chóng)鎘蓄積規(guī)律為:對(duì)照組不同齡期中華稻蝗的鎘累積量較低，且各齡期間不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異;處理組同一發(fā)育階段，鎘蓄積濃度以劑量依賴(lài)的方式增加，隨著中華稻蝗的生長(zhǎng)發(fā)育（從若蟲(chóng)到成蟲(chóng)），鎘累積濃度呈現(xiàn)先增加然后緩慢降低的規(guī)律。糞便中的鎘蓄積規(guī)律為:對(duì)照組4齡若蟲(chóng)糞便中的鎘蓄積量最高，其它齡期糞便中鎘含量無(wú)顯著差異;處理組在同一發(fā)育階段，鎘在中華稻蝗糞便中的累積量

6、隨著麥苗中鎘含量的增加而增加，且各處理間存在顯著差異。蛻中的鎘蓄積為:對(duì)照組2齡若蟲(chóng)蛻中的鎘蓄積量最高，與其它齡期相比差異顯著;處理組隨著麥苗中鎘濃度的增加，蛻中鎘蓄積量顯著增加，且各處理間差異顯著。相關(guān)性分析表明，中華稻蝗蟲(chóng)體、糞便和蛻中的鎘蓄積量與食物鎘含量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)對(duì)不同發(fā)育階段中華稻蝗對(duì)鎘的蓄積和排泄規(guī)律研究，表明中華稻蝗取食染鎘麥苗后，可以通過(guò)糞便和蛻皮排出部分鎘，減輕鎘對(duì)中華稻蝗蟲(chóng)體的毒性作用，但不同齡期中華

7、稻蝗對(duì)鎘的蓄積和排泄能力有所差異。
　　三、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GlutathioneS-transferases，GST）和羧酸酯酶(Carboxylesterase，CarE)是昆蟲(chóng)體內(nèi)重要的解毒酶系，在內(nèi)源性和外源性化合物的解毒過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。本文通過(guò)食物鎘慢性染毒研究了鎘對(duì)不同發(fā)育階段的中華稻蝗GST和CarE活性的影響。研究結(jié)果表明，不同發(fā)育期的中華稻蝗GST和CarE活性差異顯著，表明GST和CarE在中華稻蝗正

8、常的生理代謝過(guò)程中發(fā)揮著重要作用;鎘脅迫對(duì)中華稻蝗若蟲(chóng)GST活性有誘導(dǎo)作用，表明GST可能參與若蟲(chóng)對(duì)鎘的解毒過(guò)程，而由于發(fā)育階段生理代謝的差異，成蟲(chóng)GST活性被鎘抑制。鎘濃度、發(fā)育階段和酶作用底物顯著影響中華稻蝗CarE活性。以α-NA為作用底物的測(cè)定結(jié)果顯示，鎘對(duì)2齡和5齡若蟲(chóng)CarE活性具有顯著的誘導(dǎo)效應(yīng)，而對(duì)其它齡期中華稻蝗CarE活性的無(wú)明顯的誘導(dǎo)效應(yīng)。以β-NA為作用底物的測(cè)定結(jié)果顯示，2齡若蟲(chóng)和3齡若蟲(chóng)CarE活性在鎘脅迫下

9、差異顯著。而4齡若蟲(chóng)、5齡若蟲(chóng)和成蟲(chóng)的CarE活性在鎘脅迫下無(wú)顯著差異。兩種底物測(cè)定結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，中華稻蝗CarE的活性以α-NA為底物測(cè)定的活性大于以β-NA為底物時(shí)的活性。本研究結(jié)果顯示雖然GST和CarE可以作為環(huán)境鎘污染的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，但在研究GST和CarE對(duì)鎘的解毒機(jī)理方面，蟲(chóng)體的發(fā)育階段及酶作用底物等都是需要充分考慮的因素。
　　四、金屬硫蛋白(Meatllothionein，MT)能被重金屬等多種因素誘導(dǎo)。當(dāng)生物體受到

10、鎘脅迫時(shí)，可通過(guò)增加MT的表達(dá)以抵御重金屬的危害。為了系統(tǒng)研究鎘脅迫下中華稻蝗不同組織和不同發(fā)育階段MT的表達(dá)和鎘蓄積狀況，本研究通過(guò)食物鎘慢性染毒和急性鎘注射方法，研究了鎘對(duì)中華稻蝗MT的誘導(dǎo)效應(yīng)，并采用RT-PCR技術(shù)進(jìn)行中華稻蝗MT基因片段的克隆。研究結(jié)果表明，MT在中華稻蝗不同組織的表達(dá)水平具有明顯的組織特異性和劑量依賴(lài)性，其中中腸的鎘含量和MT表達(dá)水平最高;對(duì)照組不同發(fā)育階段中華稻蝗MT表達(dá)水平差異顯著，其表達(dá)順序依次為5齡＞

11、3齡和成蟲(chóng)＞4齡和2齡;而在同一發(fā)育階段，MT的表達(dá)水平與鎘蓄積濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系;鎘急性注射未能誘導(dǎo)MT的表達(dá)。這一結(jié)果表明中華稻蝗MT可以作為環(huán)境鎘污染監(jiān)測(cè)的生物標(biāo)志物。
　　五、昆蟲(chóng)能通過(guò)合成熱休克蛋白(Heatshockproteins，Hsps)來(lái)適應(yīng)外界壓力。Hsps作為分子標(biāo)記應(yīng)用于生態(tài)毒理學(xué)研究較傳統(tǒng)的生物學(xué)指標(biāo)更為敏感。本文通過(guò)RT-PCR和RACE-PCR技術(shù)從中華稻蝗克隆獲得四個(gè)hsps基因的cDNA全

12、長(zhǎng)序列，分別為葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白（OcGrp78）、熱休克蛋白70（Ochsp70）、熱休克蛋白90（Ochsp90）和熱休克蛋白40（Ochsp40）。本文采用Real-timePCR方法檢測(cè)了這四種熱休克蛋白基因在中華稻蝗不同組織部位和不同發(fā)育階段的表達(dá)。結(jié)果表明，中華稻蝗Hsps基因的表達(dá)具組織特異性和發(fā)育階段特異性，表明Hsps家族在中華稻蝗的發(fā)育過(guò)程中起著重要的生物學(xué)作用。鎘誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，急性鎘暴露能誘導(dǎo)OcGrp78、Och

13、sp70、Ochsp90和Ochsp40基因的表達(dá)，且這四種hsps基因在鎘急性誘導(dǎo)下的表達(dá)模式基本相同:即在短時(shí)間(6h)內(nèi)表達(dá)量達(dá)最大值，12h時(shí)表達(dá)量已開(kāi)始明顯下調(diào)，48h時(shí)降至對(duì)照水平或低于對(duì)照水平;就誘導(dǎo)效率而言，Ochsp70的誘導(dǎo)效率最高，是對(duì)急性鎘脅迫最敏感的hsps基因。鎘慢性染毒結(jié)果顯示，OcGrp78、Ochsp70、Ochsp90和Ochsp40的表達(dá)模式明顯不同:食物鎘慢性染毒能引起OcGrp78、Ochsp9

14、0和Ochsp40基因表達(dá)不同程度的上調(diào)，而長(zhǎng)期取食被鎘污染的食物則顯著抑制了Ochsp70基因的表達(dá)。根據(jù)本文研究結(jié)果，建議可將OcGrp78、Ochsp70、Ochsp90和Ochsp40作為環(huán)境鎘急性污染的分子標(biāo)記，其中Ochsp70對(duì)鎘脅迫最為敏感。而OcGrp78、Ochsp70、Ochsp90和Ochsp40是否可以作為鎘慢性污染的分子標(biāo)記還有待深入研究。
　　綜上所述，環(huán)境中的重金屬鎘可以通過(guò)食物鏈在中華稻蝗體內(nèi)蓄積