低浓度拟除虫菊酯对热带爪蟾早期发育的表型影响及对映体选择性作用机制

The unique physiological and ecological characteristics of amphibians make them highly susceptible to pesticide pollutions in the environment. With the increased application of chiral pesticides around the world, the enantioselective ecoeffects of these chiral pesticides should receive more attentions. However, current risk assessment of chiral pesticides does not specifically consider amphibians. Based on the results of published articles and our preliminary studies, we speculate that chiral pesticides may pose enantioselective developmental toxicity on amphibians. In this project, a new developmental biology model of Xenopus tropicalis is selected as the amphibian model and pyrethroids are chosen as the representative of chiral pesticides. Potential effects on physiological, morphological and behavioral phenotype in Xenopus tropicalis larvae induced by early exposure to low concentrations of pyrethroids and the enantioselectivity will be systematic evaluated. Based on the residue analysis of pyrethroids and their metabolites, variations through neuroendocrine stress axis will be further investigated for the underlying mechanism. These results, coupled with the enantioselective phenotypic characteristics, will provide a potential enantioselective mechanism of developmental toxicity in amphibians. The results will fill the knowledge gap in chronic toxicological effects of chiral pesticides on amphibians, thus would provide a scientific basis for the environmental assessment of chiral pesticides and the cause of global amphibian declines.

两栖动物特殊的生物学和生态学特征使其极易受到环境中农药的影响。农药的手性结构使其环境归趋和毒理效应普遍具有立体选择性，基于对映体水平的手性农药生态风险评价具有更重要的理论和现实意义。但在目前的评价系统中，两栖类的相关毒性数据极其有限。本项目以新的发育生物学模式动物热带爪蟾为两栖动物模型，选择拟除虫菊酯为手性农药代表，引入自主建立的行为学定量分析方法，系统研究低浓度拟除虫菊酯对热带爪蟾早期发育中生理、形态、行为表型的影响及对映体选择性差异。通过母体化合物及代谢产物的体内残留分析，获得对映体选择性积累特征。在此基础上，进一步通过分子生物学方法研究神经内分泌应激轴关键靶点的变化特征，探索热带爪蟾体内对映体残留特征对早期发育表型影响的分子机制。研究成果将填补手性农药对两栖动物慢性毒理效应上的研究空白，为手性农药更全面的环境安全评价提供科学依据，也为两栖动物种群衰退原因揭示提供理论基础。

特殊的生物学特性使两栖动物极易受到环境中农药的影响，生命早期接触农药可能对两栖动物种群造成持久的潜在危害。商品化的农药中超过四分之一具有手性结构，由于生物大分子的不对称性，手性农药的毒理效应普遍具有对映体选择性，在手性层面上开展农药的生态风险评价具有重要的理论和现实意义，但目前针对极有可能受到手性农药影响的两栖动物的研究还非常有限。因此本项目以热带爪蟾为两栖动物模型，以拟除虫菊酯为手性农药代表，结合自主建立的行为学分析方法，系统研究低浓度联苯菊酯（BF）和高效氯氟氰菊酯（LCT）对热带爪蟾早期发育的影响及对映体选择性差异，进一步通过对氧化损伤、神经内分泌应激轴关键靶点变化、转录组信息、糖代谢过程以及对映体积累特征的分析，探索热带爪蟾对拟除虫菊酯早期暴露的表型响应的作用机制。基于本项目的研究，建立了自主运动、刺激-反应行为、微空间分布等一系列行为学定量分析方法，筛选出灵敏的行为学指标。系统分析了低浓度拟除虫菊酯对热带爪蟾早期发育的动态影响过程，确定形态与行为表型特征的时序变化情况，发现拟除虫菊酯对热带爪蟾蝌蚪生长和发育的延缓作用，并在手性层面上确定拟除虫菊酯对热带爪蟾蝌蚪发育影响的对映体选择性差异，明确对映体R-BF和(+)-LCT是影响热带爪蟾早期发育的主要作用者。发现热带爪蟾胚胎的氧化应激、糖代谢通路和能量代谢随着拟除虫菊酯暴露而发生变化，且对糖代谢通路和能量代谢过程干扰严重的对映体与对蝌蚪发育毒性较强的对映体一致，说明拟除虫菊酯对热带爪蟾早期发育的影响可能是通过干扰糖代谢相关信号通路，引起氧化损伤，导致能量代谢障碍，最终抑制蝌蚪的行为、生长和发育。研究结果为手性拟除虫菊酯的生态风险评价提供了基础数据，也为解析两栖动物的发育毒性机制提供了科学依据。