镉污染对稻田蜘蛛优势种发育与繁殖的影响及其机理

With rapid industrial development and urbanization, heavy metal contamination becomes a serious problem worldwide. The aim of this study was to investigate the potential effect of heavy metal cadmium (Cd) on reproductive behavior and physiology of two dominant spider species, Pardosa pseudoannulata and Coleosoma octomaculata between Cd contaminated and uncontaminated rice fields. First, we will collect the spiders from Cd uncontaminated and contaminated fields, quantify the Cd levels at different developmental spider stages, and examine the potential effect of Cd on mating behavior, egg production rate, egg hatching rate, and egg and larva protection behavior of female. Then, we will investigate the potential effect of Cd on post embryonic development of spiders by examining the potential Cd effect in larval developmental duration, mortality and molting times. Finally we propose to clone and sequence vitellogenin genes from the spiders using RT-PCR in combination with Northern blot and Western blot techniques to reveal whether Cd accumulation in spiders could affect vitellogenin expression profiles, resulting in alternation of reproductive physiology. The results from the proposed study will provide useful information for understanding the effects of Cd accumulation on the growth, development and reproduction of spiders and lay solid foundation for developing strategies for spider protection and Cd contamination control in ag-ecosystem.

通过重金属镉在蜘蛛体内生物富集效应的测定，考察雌蛛卵巢发育程度、卵巢合成卵黄蛋白能力及卵黄蛋白理化特性的差异，探讨镉对蜘蛛繁殖力的影响；比较雌、雄成蛛交配行为，雌成蛛产卵率和产卵袋数、产卵量和孵化率、雌蛛护卵和护幼行为的差异，揭示镉对蜘蛛繁殖的影响；系统地考察蜘蛛的胚胎早期、体节期、胚胎逆转期和幼虫期4个发育阶段的形态特征和发育过程，并定量的分析镉对蜘蛛胚胎发育的影响；比较幼蛛发育历期的长短、成活率的高低及蜕皮次数的差异，揭示镉对蜘蛛胚后发育的影响。利用PCR技术克隆卵黄蛋白基因并进行测序，同时结合Northern blot、Western blot等技术阐明卵黄蛋白基因是否在镉胁迫下发生突变以及在胚胎发育过程中的时空表达模式差异，进而在分子水平上揭示镉污染对蜘蛛生长、发育和繁殖影响的机理。理论上在胚胎学和保护学等方面丰富蜘蛛学内涵；实践中为保持农田蜘蛛物种的稳定性及镉污染治理提供新依据。

本研究在实验室条件下探究了重金属镉在稻田蜘蛛优势种--拟环纹豹蛛体内的富集规律，发现镉在蜘蛛体内含量随着饲养时间的增加而增加，在饲养的第30天达峰值7.27±0.34μg/g。比较有无镉胁迫下蜘蛛外生殖器形态结构，发现镉胁迫对雌蛛生殖厣及雄蛛生殖球的形态结构没有显著影响。但是，镉胁迫下雌蛛产卵量显著减少（对照组117.18±12.544；实验组：64.22±26.1093），卵囊中卵黄蛋白含量也显著降低（对照组：3211.68±51.957；实验组：2433.11±94.814），这与卵巢组学分析的结果是一致的。转录水平上，雌蛛卵巢中编码卵黄蛋白前体卵黄蛋白原的基因表达下调；蛋白水平上卵黄蛋白原6含量增加，但是卵黄蛋白主要成分卵黄脂磷蛋白含量降低；镉胁迫下卵巢中GST、SOD和POD三种酶活性均显著降低，CAT活性没有显著变化；卵巢中编码GST、SOD、POD和CAT的基因上调或者下调，蛋白水平上GST表达量上升，SOD、POD和CAT表达量均没有显著变化。分析雌蛛卵巢中miRNA的表达情况，发现有10条miRNA表达上调而其靶基因表达下调，包括细胞代谢重要调控因子丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，这可能间接调控了雌蛛卵巢中卵黄蛋白的合成和抗氧化酶的活性。镉胁迫对拟环纹豹蛛胚胎发育和胚后长发育有显著影响，镉对其胚胎发育相关基因及其信号通路具有显著影响。在胚后发育过程中，镉胁迫下幼蛛 3龄到8龄体重均显著降低，6龄到8龄的发育历期显著延长；4龄以后的死亡率均显著升高。分析幼蛛体内催化蜕皮激素合成的细胞色素P450家族酶的编码基因的表达情况，结果显示这些基因的表达水平在镉胁迫下上调或者下调，并且蜘蛛外骨骼主要成分几丁质相关基因的表达也发生了显著改变，这表明镉胁迫下幼蛛死亡率增高可能是体内蜕皮激素含量变化引起蜕皮不完全导致的。同时发现镉胁迫对拟环纹豹蛛胚胎发育的酶活及基因功能产生显著影响。