奥维森科技：较低浓度颗粒污染物的短期暴露对昆虫的多种重要生理功能产生影响

全球陆地面积超过40%以上的区域大气颗粒污染物的浓度超过了世界卫生组织（WHO）的推荐标准。颗粒污染物对生态系统的影响已需要高度关注。近期，张东教授团队与墨尔本大学Mark Elgar教授团队合作在《Nature Communications》（IF=16.6/Q1）上发表题目为“Short-term particulate matter contamination severely compromises insect antennal olfactory perception”的研究论文，发现了较低浓度颗粒污染物的短期暴露对昆虫的多种重要生理功能产生影响，进而影响觅食、交配、产卵等多个层面的生存和繁殖行为，使其无法正常行使生态功能。

奥维森提供了转录组学测序及分析服务。

研究背景

大气颗粒物污染（PM）与人类的许多急性和慢性疾病相关，甚至在轻度污染条件下短时的暴露就能对人类呼吸系统、神经系统、循环系统等生理功能产生显著的影响。一些生态多样性保护区域及生态脆弱区域的大气污染颗粒物浓度也超过了WHO的标准。颗粒污染物对生态系统的影响已需要高度关注。

目前，仅有少数研究关注了颗粒污染物对野生动物的影响，但对昆虫这一生态系统中的重要类群的影响还几乎处于空白状态。由于颗粒污染物可能随着大气环流扩散数百甚至数千公里以外，以至于全球超过40%的自然保护区污染颗粒物水平也超过世界卫生组织的标准。因此，本研究的发现可能与全球昆虫多样性降低有关，进而损害生物多样性与生态安全，未来需要在全球不同地区开展颗粒污染物对不同昆虫类群的影响及评估研究。

本研究使用扫描电子显微镜(SEM)、行为分析、触角电图(EAG)和转录组学分析的组合来证明PM在家蝇(Musca domestica L.)触角上的积累损害了它们检测健康相关气味的能力。

研究方法

取样：将对照处理和污染处理的同龄(羽化后48 h)成年雄性和雌性家蝇暴露于PM 24h后取触角组织、其他身体部位（n=3）。

方法：RNA-seq、qRT-PCR

研究结果

1、 PM污染家蝇的触角

在北京市市区(海淀区)空气质量指标(AQI)为低(AQI≤50)、中(50 <AQI≤100)、高(100 <AQI≤150时采集家蝇。扫描电镜结果显示，PM在它们的触角上积累，并随着环境空气污染水平的增加而增加(图1b,c)。暴露实验发现实验室饲养的家蝇暴露于12小时的环境空气污染(100 < AQI≤150)时，其触角上的颗粒密度约为清洁空气中家蝇的7倍，与从低至中等污染水平收集的野生标本相当(图1c)。在暴露于空气污染后，PM在家蝇的头部、胸部、腿部和腹部积聚，但在触角上的分布密度明显更高(图1d)。触角表面的PM2.5比例高于玻璃纤维过滤器上的颗粒物收集器捕获的环境PM，后者提供了空气中PM的相对无偏采样(图1e)。这表明，通常被认为对人类健康更有害的PM2.5可能比更大的PM组分对家蝇的健康构成更大的威胁。

2、 PM会损害家蝇探测气味的能力

我们通过Y型迷宫嗅觉仪分析，探索PM在雄性和雌性家蝇触角上的积累是否损害了它们探测和响应关键化学信号和线索的能力(图2)。结果显示，触角上的PM污染持续损害了雄性和雌性家蝇对食物气味线索的响应能力，以及雄性家蝇对雌性同类型气味的响应能力(图2b)。在所有三个实验中，非随机比例的未受污染的家蝇进入通往气味的迷宫手臂，表明它们始终被气味吸引。相比之下，受污染的家蝇对气味有反应的比例在统计上明显较小，这一比例表明这些家蝇是随机选择Y形迷宫的臂(图2b-d)。

3、PM会损害家蝇触角的灵敏度

我们使用EAG分析来证实，在Y型迷宫测试中，被污染和未被污染的家蝇的反应差异反映了它们检测气味的能力下降。以调节电压变化测量的关键性信息素成分(Z)-9-Tricosene，在未污染的雌蝇和雄蝇的触角中明显比被污染的触角更突出(图3a, b)。同样，未污染的触角对食物引诱剂刺激的调节电压变化与被污染的雌蝇和雄蝇组相比都明显降低(图3c,d)。这种影响在雌性暴露处理后持续了10多天，而对雄性则没有(图3e,f)，因此，在幼龄时相对短暂的空气污染暴露可能对雌性的关键行为产生长期影响，包括交配(3-4天)和寻找食物和产卵地点(7-8天)。

4、 PM改变家蝇基因表达水平

为了比较PM对家蝇基因表达的影响，我们在北京市家蝇最活跃的春季和夏季对污染家蝇和未污染家蝇进行了转录组学分析。春季PM对雌性家蝇触角基因表达模式的影响比对雄性家蝇更严重，雌性家蝇触角中有395个差异表达基因(DEGs)，雄性家蝇有80个差异表达基因(DEGs)(图4a)。在夏季，PM对雄性触角的影响比雌性更严重，雌性为898个差异基因，雄性为1313差异基因(图4a)。在夏季，雌雄家蝇的DEGs明显多于春季(图4a)。雌雄触角在春季有49个共有的差异基因，在夏季有348个共有的差异基因(图4b)。有趣的是，在四组中只有4个DEGs，这表明PM对家蝇的影响因性别和季节而异。通过GO和KEGG富集分析，筛选家蝇触角中显著富集的途径(图4c,d)。PM污染对葡萄糖(糖酵解和柠檬酸循环)、氨基酸、核苷酸、脂肪酸代谢和昼夜节律等代谢途径有潜在影响。

我们还对嗅觉信号处理通路中重要步骤相关的基因进行了重点分析，包括气味结合蛋白(OBPs)、味觉/嗅觉受体、离子通道和神经元信号传导。令人惊讶的是，在雄性和雌性触角中只发现了一个味觉/气味受体基因(GR2)的差异表达，并且雄性和雌性之间气味结合蛋白的表达水平普遍不同(图4e)。这表明对一系列气味的感知可能会受到损害，进一步证实了PM对触角的影响。

许多DEGs属于细胞色素蛋白(CYPs)P450基因家族。这些基因通常与细胞解毒有关。大多数这些CYPs的调控趋势(即上调或下调)在雄性和雌性家蝇之间是不同的，再次表明PM的影响在雄性和雌性触角之间是不同的。重要的是，许多CYPs在雄性或雌性家蝇的触角中均下调，这表明这些家蝇的解毒功能可能会受到损害。在雄性和雌性家蝇的身体上进行了类似的比较，揭示了PM可能对各种组织和器官的几个生理过程产生影响。

研究结论

之前的研究低估了亚致死水平的环境空气污染对昆虫的影响。例如，颗粒物质在昆虫触角感觉受体上的积累可能对它们的功能产生有害影响。本研究发现，从城市环境中收集的家蝇(Musca domestica L.)触角上的颗粒物密度会随着空气污染的严重程度而增加。结合行为分析、触角电图和转录组学分析，表明短暂暴露于颗粒物污染会损害雄性和雌性家蝇对生殖气味和食物气味的嗅觉感知。由于颗粒物质可以从其原产地运输数千公里，因此这些影响可能是造成全球昆虫数量下降的另一个因素，即使在原始和偏远地区也是如此。

参考文献

Wang, Q., Liu, G., Yan, L. et al. Short-term particulate matter contamination severely compromises insect antennal olfactory perception. Nat Commun 14, 4112 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-39469-3