河北大学陈兵团队JHM｜长期镉暴露通过抑制熊蜂飞行肌碳代谢损害飞行行为

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.133628

亮点                             

•现实条件下长期镉暴露损害熊蜂的飞行能力。

•长性镉暴露通过抑制能量代谢从而损害持续飞行。

•柠檬酸合酶是长期镉暴露的潜在生物标志物。

•外源性柠檬酸或癸酸可恢复受损的飞行能力。

研究进展                                                         

镉是一种非必需、难以降解的元素，因其毒性高、滞留时间长、生物利用度高等特点，对全球生态系统构成严重威胁。镉容易在生态系统中沿食物链转移，严重危害动植物和人类的健康。近几十年来，由于工业化和城市化的快速发展，镉污染日益严重，特别是我国农用地土壤的镉污染程度，远超过世界其他地区。因此，探究镉污染的毒性效应及生态学危害迫在眉睫。传粉昆虫，尤其是熊蜂，在农业和野生生态系统中具有很高的价值，但它们在花朵上觅食时，会接触到各种环境污染物，使它们遭受重金属污染威胁，这导致其健康受损、种群数量大幅下降。飞行行为对于传粉昆虫的生存、觅食和授粉至关重要。然而，重金属对飞行行为的影响在很大程度上尚未被探索。本研究通过行为学、生理学和分子学方法，探究了长期镉暴露对熊蜂飞行能力的影响。行为学分析发现长期镉暴露显著降低了熊蜂的飞行持续时间、飞行距离和平均速度。转录组分析揭示了飞行肌碳代谢受损和线粒体功能障碍是主要原因。生理生化和代谢组学分析证实了能量代谢的中断和线粒体呼吸链复合物活性的受损。组织学分析显示肌肉纤维损伤和线粒体丢失。外源癸酸或柠檬酸补充通过减轻肌肉纤维损伤和增加能量产生，部分恢复熊蜂的持续飞行能力（图1）。

图1 图文摘要

本研究首先观察了长期镉暴露对熊峰工蜂的毒性效应。实验表明，随着镉暴露浓度和暴露时间的增加，熊蜂的存活率显著下降。为了探究长期环境相关浓度镉暴露对熊蜂的影响，选择LC15镉浓度进行后续实验。通过飞行磨实验发现长期低浓度镉暴露显著降低了熊蜂的飞行持续时间、距离和平均速度，但没有改变最大速度。

对镉暴露后熊蜂飞行肌进行转录组测序，发现与碳代谢、柠檬酸循环、氧化磷酸化、糖酵解/糖异生等途径相关的基因被显著抑制，说明长期镉暴露抑制碳水化合物等能量代谢，破坏线粒体氧化磷酸化等（图2a-b）。

图2 (a)镉暴露后飞行肌的整体基因表达模式；(b)差异表达基因的通路富集分析。

为进一步说明镉暴露抑制能量代谢，从生理生化角度检测了欧洲熊蜂飞行肌和血淋巴中某些能量物质的含量和酶活性的变化。实验发现，长期镉暴露导致葡萄糖和海藻糖水平显著增加（图3a-b）。这可能是由于镉暴露导致碳代谢受损，减少了这些物质的消耗。此外，丙酮酸激酶（PK）和柠檬酸合酶（CS）活性显著降低，丙酮酸和柠檬酸含量显著下降（图3c-e）。同时，代谢组学分析也证实了长期镉暴露导致飞行肌碳水化合物代谢紊乱，许多碳代谢物质积累。这些结果表明，长期镉暴露严重损害飞行肌的代谢过程，破坏参与碳代谢的特定酶的活性，减少碳水化合物消耗，导致某些代谢物在熊蜂体内积累。

图3 (a)飞行肌中糖原、葡萄糖和海藻糖浓度；(b)血淋巴中葡萄糖和海藻糖浓度；(c)飞行肌和(d)血淋巴中丙酮酸激酶活性和丙酮酸浓度；(e)飞行肌中柠檬酸合酶活性和柠檬酸浓度；(f)线粒体功能测定过程示意图；(g)线粒体基础OCR的相对值与MCI、MCII和MCIV的相对活性。

鉴于碳代谢的最终过程发生在线粒体中，因此对飞行肌中活跃的线粒体进行体外处理，并测定线粒体的功能。研究发现，长期镉暴露显著降低了线粒体基础氧消耗速率（OCR），以及线粒体呼吸链复合体I（MCI）、II（MCII）和IV（MCIV）的相对活性（图3f-g），表明长期镉暴露会造成线粒体功能障碍。

通过飞行肌H&E染色发现，长期镉暴露可诱导肌肉形态改变。超微结构分析表明肌肉纤维受损，线粒体丢失。飞行肌形态和线粒体结构的损伤进一步证实了长期镉暴露损害飞行肌线粒体功能。

外源补充癸酸或柠檬酸，能够缓解肌肉纤维损伤，改善柠檬酸合酶活性，增加碳代谢相关酶的基因表达，促进ATP等能量物质产生，提升飞行持续时间和飞行距离，从而改善镉暴露后熊蜂受损的飞行能力（图4）。

图4 长期镉暴露影响熊蜂飞行性能的代谢机制示意图。

本研究首次报道了现实条件下长期镉暴露对熊蜂飞行能力的影响，并揭示了有害影响背后的代谢机制。此发现为理解镉对昆虫飞行能力的长期影响提供了新的视角，对于评估环境污染、保护农业和野生生态系统具有重要意义，同时也为人类肌肉或运动相关疾病的研究提供了有价值的参考。