【摘要】：鎘(Cadmium, Cd)是一種毒性極強(qiáng)的金屬元素,能對人體健康造成不良影響。在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中,鎘可通過農(nóng)作物的吸收在食物鏈各環(huán)節(jié)間轉(zhuǎn)移和累積,對生物體正常的生理生化代謝產(chǎn)生嚴(yán)重影響,同時(shí)鎘污染還加劇了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的惡化,最終影響到人類的身體健康。昆蟲是自然界中分布最廣泛的動(dòng)物類群,極易受到重金屬等環(huán)境因子的脅迫。已有大量研究表明,環(huán)境中的鎘可通過呼吸、表皮滲透和攝食等途徑進(jìn)入昆蟲體內(nèi)。而在鎘脅迫對昆蟲的生長發(fā)育和生理機(jī)能產(chǎn)生影響的同時(shí),昆蟲也發(fā)展了各種防御或解毒機(jī)制來減少過量重金屬的危害,維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。 植食性昆蟲中華稻蝗Oxya chinensis是一種重要的農(nóng)業(yè)害蟲,主要以禾本科植物為食。當(dāng)中華稻蝗取食被鎘污染的農(nóng)作物或其它雜草時(shí),環(huán)境中的鎘便會(huì)通過食物鏈在其消化道等部位累積。本文以中華稻蝗為實(shí)驗(yàn)材料,從生化水平和分子水平對重金屬鎘的解毒機(jī)理進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。全文共分為五部分： 一、為研究重金屬在中華稻蝗自然種群體內(nèi)的累積分布,以山西省代縣水稻田中華稻蝗為研究對象,用火焰原子吸收法測定中華稻蝗不同組織部位的鎘和鉻含量。研究結(jié)果表明：鎘和鉻在中華稻蝗自然種群不同組織部位的富集量不同,且雌雄間存在差異。鎘在雌蟲體內(nèi)的富集順序?yàn)椋褐心c后腸前腸翅頭卵巢足體壁；在雄蟲體內(nèi)為中腸前腸后腸足頭體壁。鎘在雌雄中華稻蝗消化道內(nèi)均有較高的富集,其中中腸的累積量最高,且與其它組織部位存在顯著差異。中華稻蝗雌蟲各組織部位對鉻的累積濃度依次為中腸足體壁頭卵巢前腸翅后腸,中華稻蝗雄蟲體內(nèi)鉻濃度的分布依次為足體壁中腸頭前腸精巢后腸。多因素方差分析結(jié)果表明,自然條件下雌雄中華稻蝗對重金屬鎘和鉻的累積具有組織特異性,且兩種重金屬在中華稻蝗體內(nèi)的累積規(guī)律有所不同。 二、為了研究重金屬鎘在植食性昆蟲中的累積和排泄規(guī)律,本文通過鎘慢性染毒的方法,用不同濃度鎘溶液培養(yǎng)的麥苗飼喂中華稻蝗,研究了食物鎘染毒對中華稻蝗形態(tài)特征的影響,采用原子吸收法測定不同齡期蟲體(2齡到成蟲)整蟲、糞便和蛻中的鎘蓄積量。研究結(jié)果表明,高濃度鎘對中華稻蝗的生長有顯著的抑制作用。整蟲鎘蓄積規(guī)律為：對照組不同齡期中華稻蝗的鎘累積量較低,且各齡期間不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異；處理組同一發(fā)育階段,鎘蓄積濃度以劑量依賴的方式增加,隨著中華稻蝗的生長發(fā)育(從若蟲到成蟲),鎘累積濃度呈現(xiàn)先增加然后緩慢降低的規(guī)律。糞便中的鎘蓄積規(guī)律為：對照組4齡若蟲糞便中的鎘蓄積量最高,其它齡期糞便中鎘含量無顯著差異；處理組在同一發(fā)育階段,鎘在中華稻蝗糞便中的累積量隨著麥苗中鎘含量的增加而增加,且各處理間存在顯著差異。蛻中的鎘蓄積為：對照組2齡若蟲蛻中的鎘蓄積量最高,與其它齡期相比差異顯著；處理組隨著麥苗中鎘濃度的增加,蛻中鎘蓄積量顯著增加,且各處理間差異顯著。相關(guān)性分析表明,中華稻蝗蟲體、糞便和蛻中的鎘蓄積量與食物鎘含量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。通過對不同發(fā)育階段中華稻蝗對鎘的蓄積和排泄規(guī)律研究,表明中華稻蝗取食染鎘麥苗后,可以通過糞便和蛻皮排出部分鎘,減輕鎘對中華稻蝗蟲體的毒性作用,但不同齡期中華稻蝗對鎘的蓄積和排泄能力有所差異。 三、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(Glutathione S-transferases,GST)和羧酸酯酶(Carboxylesterase,CarE)是昆蟲體內(nèi)重要的解毒酶系,在內(nèi)源性和外源性化合物的解毒過程中發(fā)揮著重要作用。本文通過食物鎘慢性染毒研究了鎘對不同發(fā)育階段的中華稻蝗GST和CarE活性的影響。研究結(jié)果表明,不同發(fā)育期的中華稻蝗GST和CarE活性差異顯著,表明GST和CarE在中華稻蝗正常的生理代謝過程中發(fā)揮著重要作用；鎘脅迫對中華稻蝗若蟲GST活性有誘導(dǎo)作用,表明GST可能參與若蟲對鎘的解毒過程,而由于發(fā)育階段生理代謝的差異,成蟲GST活性被鎘抑制。鎘濃度、發(fā)育階段和酶作用底物顯著影響中華稻蝗CarE活性。以a-NA為作用底物的測定結(jié)果顯示,鎘對2齡和5齡若蟲CarE活性具有顯著的誘導(dǎo)效應(yīng),而對其它齡期中華稻蝗CarE活性的無明顯的誘導(dǎo)效應(yīng)。以β-NA為作用底物的測定結(jié)果顯示,2齡若蟲和3齡若蟲CarE活性在鎘脅迫下差異顯著。而4齡若蟲、5齡若蟲和成蟲的CarE活性在鎘脅迫下無顯著差異。兩種底物測定結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),中華稻蝗CarE的活性以a-NA為底物測定的活性大于以p-NA為底物時(shí)的活性。本研究結(jié)果顯示雖然GST和CarE可以作為環(huán)境鎘污染的監(jiān)測指標(biāo),但在研究GST和CarE對鎘的解毒機(jī)理方面,蟲體的發(fā)育階段及酶作用底物等都是需要充分考慮的因素。 四、金屬硫蛋白(Meatllothionein,MT)能被重金屬等多種因素誘導(dǎo)。當(dāng)生物體受到鎘脅迫時(shí),可通過增加MT的表達(dá)以抵御重金屬的危害。為了系統(tǒng)研究鎘脅迫下中華稻蝗不同組織和不同發(fā)育階段MT的表達(dá)和鎘蓄積狀況,本研究通過食物鎘慢性染毒和急性鎘注射方法,研究了鎘對中華稻蝗MT的誘導(dǎo)效應(yīng),并采用RT-PCR技術(shù)進(jìn)行中華稻蝗MT基因片段的克隆。研究結(jié)果表明,MT在中華稻蝗不同組織的表達(dá)水平具有明顯的組織特異性和劑量依賴性,其中中腸的鎘含量和MT表達(dá)水平最高；對照組不同發(fā)育階段中華稻蝗MT表達(dá)水平差異顯著,其表達(dá)順序依次為5齡3齡和成蟲4齡和2齡；而在同一發(fā)育階段,MT的表達(dá)水平與鎘蓄積濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系；鎘急性注射未能誘導(dǎo)MT的表達(dá)。這一結(jié)果表明中華稻蝗MT可以作為環(huán)境鎘污染監(jiān)測的生物標(biāo)志物。 五、昆蟲能通過合成熱休克蛋白(Heat shock proteins,Hsps)來適應(yīng)外界壓力。Hsps作為分子標(biāo)記應(yīng)用于生態(tài)毒理學(xué)研究較傳統(tǒng)的生物學(xué)指標(biāo)更為敏感。本文通過RT-PCR和RACE-PCR技術(shù)從中華稻蝗克隆獲得四個(gè)hsps基因的cDNA全長序列,分別為葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白(OcGrp78)、熱休克蛋白70(Ochsp70)、熱休克蛋白90(Ochsp90)和熱休克蛋白40(Ochsp40)。本文采用Real-time PCR方法檢測了這四種熱休克蛋白基因在中華稻蝗不同組織部位和不同發(fā)育階段的表達(dá)。結(jié)果表明,中華稻蝗Hsps基因的表達(dá)具組織特異性和發(fā)育階段特異性,表明Hsps家族在中華稻蝗的發(fā)育過程中起著重要的生物學(xué)作用。鎘誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,急性鎘暴露能誘導(dǎo)OcGrp78、Ochsp70、Ochsp90和Ochsp40基因的表達(dá),且這四種hsps基因在鎘急性誘導(dǎo)下的表達(dá)模式基本相同：即在短時(shí)間(6h)內(nèi)表達(dá)量達(dá)最大值,12h時(shí)表達(dá)量已開始明顯下調(diào),48h時(shí)降至對照水平或低于對照水平；就誘導(dǎo)效率而言,Ochsp70的誘導(dǎo)效率最高,是對急性鎘脅迫最敏感的hsps基因。鎘慢性染毒結(jié)果顯示,OcGrp78、Ochsp70、Ochsp90和Ochsp40的表達(dá)模式明顯不同：食物鎘慢性染毒能引起OcGrp78、Ochsp90和Ochsp40基因表達(dá)不同程度的上調(diào),而長期取食被鎘污染的食物則顯著抑制了Ochsp70基因的表達(dá)。根據(jù)本文研究結(jié)果,建議可將OcGrp78、 Ochsp70、Ochsp90和Ochsp40作為環(huán)境鎘急性污染的分子標(biāo)記,其中Ochsp70對鎘脅迫最為敏感。而OcGrp78、Ochsp70、Ochsp90和Ochsp40是否可以作為鎘慢性污染的分子標(biāo)記還有待深入研究。 綜上所述,環(huán)境中的重金屬鎘可以通過食物鏈在中華稻蝗體內(nèi)蓄積于不同的組織部位。重金屬在中華稻蝗體內(nèi)的過量累積對中華稻蝗的形態(tài)特征(體長、體重等)有抑制作用。中華稻蝗可通過體內(nèi)重要酶系、金屬硫蛋白和熱休克蛋白等的作用對機(jī)體形成保護(hù)作用。本研究為將中華稻蝗作為農(nóng)業(yè)環(huán)境中重金屬鎘污染的生物標(biāo)志物提供基礎(chǔ)資料。
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：X174

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2739138