刁江流域重金属污染环境中眼优角蚱Eucriotettix oculatus形态变化及其分子基础

The heavy metal pollution to the environment leads to ecological deterioration. Under the stress of heavy metal pollution, The morphology of insects can changes, and they can produce adaptive microevolution during the process of long-term exposure. Under the stress of heavy metal pollution, it’s unclear to the rule of insects’ morphology changes, especially in their molecular basis. we will select Eucriotettix oculatus as the research objects and they are widely distributed in Diaojiang Basin with nearly a thousand years of history in heavy metal pollution. To the insets in different pollution intensities, we will further study the different instar nymph and adults’ external morphology, digestive system, excretory system and reproductive system and carry out Comparative Transcriptomics analysis, meanwhile, we will study the morphology and transcriptome of the insects without the stress of heavy metal, to identify the differentially expressed genes and their functions, and to reveal the molecular basis of the morphological changes on the basis of our previous work. Finally, we will combine the three elements including the morphology, the degree of heavy metal pollution and molecular to explore the rule and cause of the morphological changes under the condition of heavy metal pollution. This project will have a theoretical significance for the rule and cause of morphology changes about insects under the stress of heavy metal pollution, and Phenotypic plasticity and microevolution of organisms. It also has a practical significance for the selection of biological indicators and biomarkers of pollution.

重金属对环境的污染导致生态恶化。昆虫在重金属污染环境胁迫中其形态会发生变化，并且长期暴露可使昆虫产生适应性微进化。由于目前对重金属污染胁迫下昆虫形态变化规律，特别是其分子基础还不甚明了。本项目在我们前期工作的基础上，选择在具有近千年重金属污染历史的刁江流域，以该流域分布的眼优角蚱Eucriotettix oculatus为研究对象，进一步对该蚱的不同龄期若虫和成虫的外部形态、消化系统、排泄系统、生殖系统进行不同污染程度下的形态特征比较研究和比较转录组学研究，同时结合去重金属胁迫后形态和转录组分析，识别差异表达基因及其功能，揭示形态变化背后的分子基础。最后结合形态、重金属污染程度、分子三要素，探讨眼优角蚱受重金属污染环境胁迫的形态变化规律和成因。本项目完成将对昆虫响应重金属胁迫的形态学规律及成因，生物表型可塑性和微进化方面具有一定的理论意义，对污染指示物种及生物标志物选择具有实践意义。

由于目前对重金属污染胁迫下昆虫形态变化规律，特别是其分子基础还不甚明了。本项目在刁江流域选择了重金属高度污染样地和中度污染样地的眼优角蚱种群，在刁江以外选择了轻度污染样地种群作为实验组，并以实验组每个样地的子一代从卵块开始在同一无重金属污染的环境下饲养的种群作为对照组，开展了眼优角蚱生物学、传统形态学、几何形态学、超微形态学、染色体形态学、基因组学、转录组学、肠道微生物组学和代谢组学的研究，主要研究结果如下：①环境中的重金属主要通过眼优角蚱取食其主要食物苔藓而进入其体内；② 重金属胁迫可致眼优角蚱体型变小、后翅、眼间距、前足、中足、后足和触角感受器等外部结构在个体间变异性增大，但外部形态未出现明显的畸形现象；③ 重金属胁迫可致眼优角蚱消化系统、排泄系统和生殖系统组织和细胞结构损伤，致染色体形态变异；④ 眼优角蚱基因组中与消化、解毒、免疫、损伤再生、逆转录等相关基因家族在核染色体水平扩张或受到正选择作用；⑤重金属胁迫可致眼优角蚱形态和几乎所有系统功能相关的部分基因出现转录差异表达，这些表达差异的基因中大部分使形态发育和消化等生理功能减弱，但一部分基因可增强或弥补对形态或生理功能的损伤；⑥重金属污染可致眼优角蚱肠道微生物群落结构改变，致病菌和益生菌同时增加；⑦重金属胁迫可改变眼优角蚱肠道中代谢物的组成，其中一些代谢物的改变可能与眼优角蚱适应重金属胁迫有关。通过本项目研究可初步揭示，眼优角蚱在高度重金属污染生境中未出现外部形态畸形现象，可能与基因组、转录组、肠道微生物组、代谢组等方面体现出较强的适应机制有关，眼优角蚱受重金属胁迫后体型大小及个体间腹肢等外部形态变异增大，可能是重金属胁迫后导致与形态发育相关的Dpp、Dfd和Scr等基因表达变化有关，但主要应该与重金属胁迫导致眼优角蚱整体生理功能受影响，进而影响到形态发育。