线粒体损伤介导的亚致死剂量烟碱类农药暴露蜜蜂隔代毒性机制研究

The overarching goal of this application is to utilize honeybee as the model insect to exemplify the interplay between the reactive oxygen species (ROS)-induced mitochondrial DNA (mtDNA) damage in a trans-generational phenomenon as the result of sub-lethal neonics exposure that leads to accelerating senescence. Although honeybee biology is vastly different from those of mammals, the aspects of mitochondrial genome and its vulnerability to the toxicity of environmental chemicals are rather similar. As mitochondria are highly conserved across species, we believe that the identification of mitochondrial toxicities in honeybees would not only define mechanisms that might help protecting insect pollinators vital to human food supplies, but most importantly pointing to universal mechanism(s) that might operate across the evolutionary scale and produce toxic effects in humans.

蜜蜂具有独特的生物特征,在生态系统中的重要地位。近年来蜜蜂的种群在快速的衰退，烟碱类杀虫剂的广泛使用可能是一个重要原因，但具体的致毒机制还不明确。线粒体损伤及基因组表观遗传学的改变都是诱发生物体子代加速衰老和死亡的重要因素。同时由于线粒体DNA是母本遗传，在物种之间具有明显的保守性，而蜜蜂同一蜂巢内的蜜蜂均来自一个母本，分别属于不同的子代，是研究线粒体损伤个隔代毒性绝佳的模型。我们拟将地开展亚致死剂量典型烟碱类农药暴露蜜蜂（中华蜂），以mtDNA拷贝数和基因组甲基化为检测靶点，对烟碱类农药隔代引起蜜蜂mtDNA损伤机制，以及mtDNA损伤与子代蜜蜂端粒长度和端粒酶活性的关系及机理开展研究。这不但有助于阐明蜜蜂种群衰退现象的分子机理，而且可以研究结果明揭示农药暴露引起人线粒体损伤也有重要借鉴意义，将为有效预防和治理烟碱类农药的生态风险奠定基础和科学依据。

该项目的总体目标旨在阐明蜜蜂中新烟碱类农药的亚致死健康影响，并量化人群中新烟碱类农药的暴露量。我们对了解以下内容特别感兴趣； 1）蜜蜂新烟碱类农药亚致死暴露导致线粒体DNA损伤及其在生物标志物中的应用； 2）新烟碱类农药在人群中的存在和分布，特别是在食物和饮用水中，以及3）饮食中总摄入量对健康的危害。..在这个项目中，我们进行了实地研究，人口研究以及对我们收集的标本，食物和水样进行实验室分析。使用我们以前发布的方法，使用UPLC / MS / MS分析所有样品。..我们从该项目中获得的最重要的结果是，我们发现了从较晚代的对照组育成的蜜蜂中，线粒体DNA拷贝数（RmtDNAcn）显着增加（p <0.001），这表明mtDNA状态不是恒定的，但反映了可能的生物学特性蜂王的衰老。在暴露于两种新烟碱类物质（IMI和CLO）的蜜蜂中，与对照组蜜蜂相比，在F2代中观察到了相似的上升趋势，但RmtDNAcn的增加幅度更高，在没有新烟碱类农药暴露的情况下，F4代中的蜜蜂甚至更高。这些结果表明，在F2和F4代蜜蜂中测得的RmtDNAcn的额外增加很可能与亚致死性暴露于IMI或CLO有关。因为我们观察到在给药方案开始之前蜜蜂之间测得的基线mtDNAcn基线水平几乎相同，因此，我们在新烟碱类农药给药后蜜蜂中测得的mtDNAcn的其他变异很可能源自亚致死性新烟碱类农药的暴露。..该科研项目的发现至关重要，因为我们通过将上游新烟碱类农药暴露与蜜蜂下游的总体健康状况（包括蜂群冬季存活）联系起来，提供了蜜蜂崩溃障碍（CCD）的机理解释。在后代（F4）中，工蜂中RmtDNAcn的增量增加表明，即使在没有新烟碱类农药暴露的情况下，随着时间的推移，蜂王中发生的mtDNA损伤也可以随着时间的流逝传给工蜂。由于能量产生不足，冬季蜜蜂中累积的mtDNA损伤可能对其蜂巢的冬季生存造成负面影响。这些结果将有助于解释全球CCD的潜在机理。