盾纤类纤毛虫对有机磷农药胁迫的生理生化与分子响应机制的研究

Scuticociliates are a group of ciliates which is wide-spread in all kinds of habitats, easily collected as well as feed, and sensitive when any environmental factor changed. Therefore studies on the mechanism of stress response on common pollutants to the ciliates have shown a wide application prospect. Two kinds of mainly containing organophosphorus pesticides（dimethoate, chlorpyrifos) pollutants commonly used in northeastern China are selected in this project, and sensitive and tolerant scuticociliates to the two kinds of organic pollutants will be found by acute and chronic concentration gradient tests; physiological and biochemical response of ciliates to organic phosphorus pesticide stress will also be studied with observations on the surface of ciliate cells and cell damages by using modern molecular biology methods. Different gene expression spectrum analysis will be conducted to obtain any information on the molecular stress mechanism. Our study will be carried out aiming to supply some new information for toxicology studies on ciliates, and to discuss whether scuticociliates could be used as a reliable biological indicator and have value on bioremediation to freshwater environment of Songhua River.

盾纤类是一类广泛存在于各大水体中的食菌性嗜污类纤毛虫，具有易采集，易培养，对外界环境反应敏感等特点。因此开展环境中常见污染物对该类纤毛虫的胁迫响应机理的研究具有广泛的应用前景。本课题选择东北地区农药使用中两类主要含有机磷农药的污染物（乐果、毒死蜱），通过急、慢性浓度梯度试验筛选获得盾纤类纤毛虫中对该两类污染物的敏感种及耐受种；探讨纤毛虫对有机磷农药胁迫下的生理生化响应机制；确定有机磷农药对纤毛虫细胞及细胞表面结构破坏程度；利用现代分子生物学手段，进行污染物对受试动物的差异基因表达谱的分析，初步获得农药胁迫盾纤类纤毛虫的分子机制方面相关信息。该研究将从新的角度为纤毛虫毒理学研究提供相关数据和信息，也为探讨盾纤类纤毛虫在松花江等淡水环境中是否具有生物指示作用和生物修复价值提供可靠数据。

本项目以盾纤类纤毛虫为目标研究对象，分析了有机磷农药胁迫后的生长模式，抗氧化酶活性变化，形态学变化以及转录组测序，多学科交叉研究了盾纤类纤毛虫经有机磷农药胁迫后的形态、生理生化和分子响应机制。主要研究结果如下：1) 部分盾纤类纤毛虫对有机磷农药胁迫具有一定的耐性机制，胁迫生长情况依然良好，胁迫时间是影响其外源有毒物质耐受性的其中一个关键因素。2）经过有机磷农药毒死蜱（Chlorpyrifos，CPF）胁迫后，盾纤类纤毛虫Uronema marinum细胞明显缩小，说明光镜下的虫体变化可以在一定程度反映水体中农药的污染情况。且抗生素类物质土霉素对盾纤类纤毛虫Pseudocohnilembus persalinus胁迫后，虫体扫描电镜观察结果显示纤毛脱落和细胞皱缩，说明形态学变化可以作为环境监测的指标之一。经乐果胁迫后，Urostyla grandis染色质在大核中凝集，大核与核膜呈现了不连续的状态，线粒体膜和内容物完整性缺失，说明乐果对纤毛虫具有一定的毒性效应。3）生理生化方面对海洋尾丝虫进行抗氧化酶SOD和GST的测定，结果表明与对照组相比，毒死蜱胁迫后24小时内SOD的活性增加。毒死蜱处理后12和24小时，GST的活性增加，说明抗氧化酶在应对毒死蜱胁迫后发挥防御和解毒作用。4）分子响应方面对海洋尾丝虫进行毒死蜱胁迫12和24小时后发现，有21个上调基因与CPF抗性相关。在12h胁迫后，HSP70，β-微管蛋白，细胞色素P450家族和ABC转运蛋白基因表达量上调。胁迫24h后，β-微管蛋白，Ftsz，GR，GSTM1，GPX4，SOD，细胞色素P450家族和ABC转运蛋白基因上调，说明排毒，细胞骨架以及细胞结构反应和应激反应相关基因参与了CPF的抗性机制。综上所述，研究结果证实部分盾纤类纤毛虫本身对有机磷农药是具有抗性的，然而目前我们仅对其生长、防御酶和解毒酶活性、形态学变化和转录组测序后的差异表达基因谱进行了初步分析，具体机制还需要进一步阐明。研究成果方面，在本项目的资助下，共发表水生生物生理和分子相关机制SCI文章7篇。