全球陸地面積超過40%以上的區(qū)域大氣顆粒污染物的濃度超過了世界衛(wèi)生組織（WHO）的推薦標準。顆粒污染物對生態(tài)系統(tǒng)的影響已需要高度關(guān)注。近期，張東教授團隊與墨爾本大學Mark Elgar教授團隊合作在《Nature Communications》（IF=16.6/Q1）上發(fā)表題目為“Short-term particulate matter contamination severely compromises insect antennal olfactory perception”的研究論文，發(fā)現(xiàn)了較低濃度顆粒污染物的短期暴露對昆蟲的多種重要生理功能產(chǎn)生影響，進而影響覓食、交配、產(chǎn)卵等多個層面的生存和繁殖行為，使其無法正常行使生態(tài)功能。

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奧維森提供了轉(zhuǎn)錄組學測序及分析服務(wù)。

研究背景

大氣顆粒物污染（PM）與人類的許多急性和慢性疾病相關(guān)，甚至在輕度污染條件下短時的暴露就能對人類呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等生理功能產(chǎn)生顯著的影響。一些生態(tài)多樣性保護區(qū)域及生態(tài)脆弱區(qū)域的大氣污染顆粒物濃度也超過了WHO的標準。顆粒污染物對生態(tài)系統(tǒng)的影響已需要高度關(guān)注。

目前，僅有少數(shù)研究關(guān)注了顆粒污染物對野生動物的影響，但對昆蟲這一生態(tài)系統(tǒng)中的重要類群的影響還幾乎處于空白狀態(tài)。由于顆粒污染物可能隨著大氣環(huán)流擴散數(shù)百甚至數(shù)千公里以外，以至于全球超過40%的自然保護區(qū)污染顆粒物水平也超過世界衛(wèi)生組織的標準。因此，本研究的發(fā)現(xiàn)可能與全球昆蟲多樣性降低有關(guān)，進而損害生物多樣性與生態(tài)安全，未來需要在全球不同地區(qū)開展顆粒污染物對不同昆蟲類群的影響及評估研究。

本研究使用掃描電子顯微鏡(SEM)、行為分析、觸角電圖(EAG)和轉(zhuǎn)錄組學分析的組合來證明PM在家蠅(Musca domestica?L.)觸角上的積累損害了它們檢測健康相關(guān)氣味的能力。

研究方法

取樣：將對照處理和污染處理的同齡(羽化后48 h)成年雄性和雌性家蠅暴露于PM 24h后取觸角組織、其他身體部位（n=3）。

方法：RNA-seq、qRT-PCR

研究結(jié)果

1、?PM污染家蠅的觸角

在北京市市區(qū)(海淀區(qū))空氣質(zhì)量指標(AQI)為低(AQI≤50)、中(50 <AQI≤100)、高(100 <AQI≤150時采集家蠅。掃描電鏡結(jié)果顯示，PM在它們的觸角上積累，并隨著環(huán)境空氣污染水平的增加而增加(圖1b,c)。暴露實驗發(fā)現(xiàn)實驗室飼養(yǎng)的家蠅暴露于12小時的環(huán)境空氣污染(100 < AQI≤150)時，其觸角上的顆粒密度約為清潔空氣中家蠅的7倍，與從低至中等污染水平收集的野生標本相當(圖1c)。在暴露于空氣污染后，PM在家蠅的頭部、胸部、腿部和腹部積聚，但在觸角上的分布密度明顯更高(圖1d)。觸角表面的PM2.5比例高于玻璃纖維過濾器上的顆粒物收集器捕獲的環(huán)境PM，后者提供了空氣中PM的相對無偏采樣(圖1e)。這表明，通常被認為對人類健康更有害的PM2.5可能比更大的PM組分對家蠅的健康構(gòu)成更大的威脅。

2、?PM會損害家蠅探測氣味的能力

我們通過Y型迷宮嗅覺儀分析，探索PM在雄性和雌性家蠅觸角上的積累是否損害了它們探測和響應(yīng)關(guān)鍵化學信號和線索的能力(圖2)。結(jié)果顯示，觸角上的PM污染持續(xù)損害了雄性和雌性家蠅對食物氣味線索的響應(yīng)能力，以及雄性家蠅對雌性同類型氣味的響應(yīng)能力(圖2b)。在所有三個實驗中，非隨機比例的未受污染的家蠅進入通往氣味的迷宮手臂，表明它們始終被氣味吸引。相比之下，受污染的家蠅對氣味有反應(yīng)的比例在統(tǒng)計上明顯較小，這一比例表明這些家蠅是隨機選擇Y形迷宮的臂(圖2b-d)。

3、PM會損害家蠅觸角的靈敏度

我們使用EAG分析來證實，在Y型迷宮測試中，被污染和未被污染的家蠅的反應(yīng)差異反映了它們檢測氣味的能力下降。以調(diào)節(jié)電壓變化測量的關(guān)鍵性信息素成分(Z)-9-Tricosene，在未污染的雌蠅和雄蠅的觸角中明顯比被污染的觸角更突出(圖3a,?b)。同樣，未污染的觸角對食物引誘劑刺激的調(diào)節(jié)電壓變化與被污染的雌蠅和雄蠅組相比都明顯降低(圖3c,d)。這種影響在雌性暴露處理后持續(xù)了10多天，而對雄性則沒有(圖3e,f)，因此，在幼齡時相對短暫的空氣污染暴露可能對雌性的關(guān)鍵行為產(chǎn)生長期影響，包括交配(3-4天)和尋找食物和產(chǎn)卵地點(7-8天)。

4、?PM改變家蠅基因表達水平

為了比較PM對家蠅基因表達的影響，我們在北京市家蠅最活躍的春季和夏季對污染家蠅和未污染家蠅進行了轉(zhuǎn)錄組學分析。春季PM對雌性家蠅觸角基因表達模式的影響比對雄性家蠅更嚴重，雌性家蠅觸角中有395個差異表達基因(DEGs)，雄性家蠅有80個差異表達基因(DEGs)(圖4a)。在夏季，PM對雄性觸角的影響比雌性更嚴重，雌性為898個差異基因，雄性為1313差異基因(圖4a)。在夏季，雌雄家蠅的DEGs明顯多于春季(圖4a)。雌雄觸角在春季有49個共有的差異基因，在夏季有348個共有的差異基因(圖4b)。有趣的是，在四組中只有4個DEGs，這表明PM對家蠅的影響因性別和季節(jié)而異。通過GO和KEGG富集分析，篩選家蠅觸角中顯著富集的途徑(圖4c,d)。PM污染對葡萄糖(糖酵解和檸檬酸循環(huán))、氨基酸、核苷酸、脂肪酸代謝和晝夜節(jié)律等代謝途徑有潛在影響。

我們還對嗅覺信號處理通路中重要步驟相關(guān)的基因進行了重點分析，包括氣味結(jié)合蛋白(OBPs)、味覺/嗅覺受體、離子通道和神經(jīng)元信號傳導(dǎo)。令人驚訝的是，在雄性和雌性觸角中只發(fā)現(xiàn)了一個味覺/氣味受體基因(GR2)的差異表達，并且雄性和雌性之間氣味結(jié)合蛋白的表達水平普遍不同(圖4e)。這表明對一系列氣味的感知可能會受到損害，進一步證實了PM對觸角的影響。

許多DEGs屬于細胞色素蛋白(CYPs)P450基因家族。這些基因通常與細胞解毒有關(guān)。大多數(shù)這些CYPs的調(diào)控趨勢(即上調(diào)或下調(diào))在雄性和雌性家蠅之間是不同的，再次表明PM的影響在雄性和雌性觸角之間是不同的。重要的是，許多CYPs在雄性或雌性家蠅的觸角中均下調(diào)，這表明這些家蠅的解毒功能可能會受到損害。在雄性和雌性家蠅的身體上進行了類似的比較，揭示了PM可能對各種組織和器官的幾個生理過程產(chǎn)生影響。

研究結(jié)論

之前的研究低估了亞致死水平的環(huán)境空氣污染對昆蟲的影響。例如，顆粒物質(zhì)在昆蟲觸角感覺受體上的積累可能對它們的功能產(chǎn)生有害影響。本研究發(fā)現(xiàn)，從城市環(huán)境中收集的家蠅(Musca domestica?L.)觸角上的顆粒物密度會隨著空氣污染的嚴重程度而增加。結(jié)合行為分析、觸角電圖和轉(zhuǎn)錄組學分析，表明短暫暴露于顆粒物污染會損害雄性和雌性家蠅對生殖氣味和食物氣味的嗅覺感知。由于顆粒物質(zhì)可以從其原產(chǎn)地運輸數(shù)千公里，因此這些影響可能是造成全球昆蟲數(shù)量下降的另一個因素，即使在原始和偏遠地區(qū)也是如此。

參考文獻

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