luxI、luxR双基因调控下的离子液体对费氏弧菌hormesis效应机理研究

Hormesis is characterized with a non-monotonic concentration-effect relationship, and is currently a heated topic in environmental toxicology, ecology and pharmaceutical industry. However, the reported hormesis were mostly observed occasionally without the purpose of finding or confirming the hormesis, and the current studies still suffer from the lack of biological mechanism investigations. Therefore, designing methods specifically to screen hormesis and investigating the mechanisms are essential to the substantial applications of hormesis. Based on the observed time-dependent hormesis of ionic liquids (ILs) in the applicant’s previous studies, the present proposal chooses ionic liquids (ILs) as the target chemicals, and employs Vibrio fischeri as the test organism. The concentrations and the checking time points will be designed with the specific purpose of screening hormesis. The time-dependent microplate toxicity analysis will be used to gain the concentration-time-effect data, which will be subsequently used to screen out the ILs showing hormesis. Simultaneously, the expression levels of luminescence regulating genes luxI and luxR will also be determined after exposure to the ILs with hormesis. At last, the correlation between the time-dependent changes of the luminescence and those of the expression levels of the luminescence regulating genes will be analyzed to elucidate the underlying mechanisms from the view of binary gene regulations. The achievements in the present proposal will provide a method for screening chemicals with hormesis, and also will establish theoretical basis to effectively control the environmental risks of ILs and other chemicals showing hormesis.

具有非单调浓度-效应关系的hormesis效应是环境毒理学、生态学、医药等领域的研究热点，然而该效应多为偶然发现且缺乏机理研究。采用针对性的方法进行hormesis效应的筛选并探索其产生机理，对该效应的实质性应用具有重要作用。本项目在申请人前期研究中发现离子液体（ILs）具有时间依赖hormesis效应的基础上，选择ILs作为目标物质，选用费氏弧菌作为受试生物，同时兼顾浓度与时间，利用时间依赖微板毒性分析法获得浓度-时间-效应数据，筛选出能够诱导hormesis效应的ILs；对筛选出的ILs同步检测发光调节基因luxI、luxR的表达水平；对发光与发光调节基因表达水平的时间变化规律开展相关性分析，从双基因调控的角度揭示ILs诱导hormesis效应的产生机理。本项目成果将为广泛地进行hormesis效应的筛选提供方法，为有效评价具有hormesis效应的ILs等物质的环境风险奠定理论基础。

具有非单调浓度-效应关系的hormesis效应是环境毒理学、生态学、医药等领域的研究热点，然而该效应多为偶然发现且缺乏机理研究。本项目针对离子液体（ILs），选用淡水发光菌青海弧菌、海洋发光菌费氏弧菌作为受试生物，采用兼顾浓度与时间的时间依赖微板毒性分析法，获得完整的浓度-时间-效应数据，通过这些针对性研究方法的设定，筛选获得[amim]Cl、[amim]BF4、[amim]Br、[apyr]BF4等对发光菌具有时间依赖hormesis效应的ILs，并得出低浓度条件下的hormesis效应需要时间得以呈现的结论，通过基于预测的变量选择和模型方法（VSMP），筛选得出各类ILs产生hormesis的关键组分，并得出不同阴阳离子的贡献。对筛选出的ILs开展时间依赖锥形瓶暴露，采集发光菌样品，检测发光反应底物黄素单核苷酸（FMN）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）（NAD(P)H），氧化还原反应体系中的活性氧自由基（ROS）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等，能量供应方式三磷酸腺苷（ATP）等生物化学指标，研究结果表明NAD(P)H:FMN氧化还原反应表现出时间依赖刺激效应，表明能量代谢对表观hormesis效应的显著贡献；抗氧化系统也表现出刺激效应，一方面表明能量供给反应产生了副作用，另一方面也说明抗氧化系统消耗了更多的能量保持有机体生理平衡。对发光菌样品进一步进行发光调节通路中luxA、luxB、luxI、luxR表达水平的检测，研究结果表明ILs表观水平的hormesis效应伴随着luxA、luxB表达水平的显著提高，发光调节系统的整体功能上调；同时luxI、luxR等基因表达水平变化不显著，该结果表明种群响应并不是ILs产生hormesis效应的关键途径，或者其受到更多干扰因素、使其功能发挥受阻，尚需进一步研究。本研究成果对表观水平的发光、生物化学水平的发光反应底物、分子水平的发光调节基因表达水平，全面开展时间变化规律研究，从化学组分与生物反应两个角度揭示ILs诱导hormesis效应的产生机理。上述研究内容发表SCI论文6篇，参加国内学术会议4次，相关成果将为广泛地进行hormesis效应的筛选提供方法，为有效评价具有hormesis效应的ILs等物质的环境风险奠定理论基础。