UVB辐射对Macrobrachium olfersii幼虫的形态、细胞动态和行为的多方面影响

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Multifaceted impacts of UVB radiation on morphology, cellular dynamics, and behavior in Macrobrachium olfersii larvae

UVB辐射对亲缘虾(Macrobrachium olfersii)幼虫发育的影响研究显示，胚胎期和孵化后幼虫均出现细胞损伤、形态异常及行为缺陷。胚胎期UVB暴露导致幼虫期身体长度增加、眼指数变化及mitophagy相关蛋白异常，孵化后暴露则加剧DNA损伤、细胞凋亡，并抑制光趋性迁移行为。实验证实UVB存在跨代际效应，早期暴露通过激活mitophagy引发后续生理功能障碍，可能降低幼虫生存和繁殖能力。

　　

朱利亚姆·卡蒂亚·斯特吕克（Giuliam Kátia Strücker）| 马德森·席尔维拉·德梅洛（Madson Silveira de Melo）| 埃维利泽·玛丽亚·纳扎里（Evelise Maria Nazari）

巴西圣卡塔琳娜州弗洛里亚诺波利斯市，圣卡塔琳娜联邦大学细胞生物学、胚胎学与遗传学系

摘要

地球表面的紫外线B（UVB）辐射强度一直在增加，这对海洋、沿海和淡水生物造成了影响。尽管这些生物可能具有分子、细胞和行为层面的机制来减轻UVB辐射的伤害，但许多物种的胚胎和幼体缺乏完全发育的保护机制。在这种背景下，Macrobrachium olfersii是一种对水生生态系统能量循环至关重要的十足类动物。M. olfersii栖息在清澈的浅水沿海区域，因此容易受到UVB辐射的影响。本研究旨在通过比较M. olfersii在胚胎期和孵化后两个阶段的反应，来探讨UVB辐射对其的复杂影响，包括细胞、形态和行为方面的损害。具体来说，我们研究了UVB引起的胚胎损伤是否会在幼体发育过程中持续存在（第一组实验），以及受辐射的幼体是否表现出与受辐射胚胎相似的反应（第二组实验）。在第一组实验中，幼体的体长、眼指数以及与线粒体自噬相关的蛋白质发生了变化。在第二组实验中，这些参数以及更明显的DNA损伤、细胞增殖和细胞凋亡现象也出现了变化。此外，两组实验都观察到幼体向光照区域的迁移行为减少，而细胞透明度的变化仅出现在第二组实验中。研究结果表明，UVB辐射会对M. olfersii的发育产生长期影响：早期暴露会引发适应性反应，而后期暴露则会导致生理和功能障碍，从而可能降低其逃避捕食者、存活率和繁殖成功率。

引言

人类活动导致的臭氧层变化增加了地球表面的紫外线B（UVB；320–290纳米）辐射强度[[1], [2], [3]]。UVB辐射水平的升高对陆地动物以及生活在这些环境中的海洋、沿海和淡水生态系统及其物种产生了显著影响[4,5]。虽然UVB辐射对生物体具有生物学意义，例如在脊椎动物和无脊椎动物中参与维生素D的合成[[6], [7], [8]]，并在许多物种的视觉定向中发挥作用[[9,10]]，但过度暴露会损害细胞和组织[[11], [12], [13]]。UVB辐射可通过形成胸腺嘧啶二聚体[[14], [15], [16]]来损伤DNA，并破坏线粒体等细胞器[[17], [18], [19]]。这些效应可能导致形态和行为变化，进而影响水生生物的生存。

Macrobrachium olfersii是一种栖息在清澈浅水沿海区域的虾类，在水生生态系统的能量循环中起着重要作用[20,21]。在24°C条件下经过14天的胚胎发育后，胚胎会孵化成能够自由游动的Zoea幼体[22]，随后经历多个幼体阶段，最终成长为成体[22]。针对M. olfersii胚胎的研究表明，太阳光和模拟UVB辐射可导致DNA中形成胸腺嘧啶二聚体、引发细胞凋亡、抑制细胞增殖并改变线粒体功能[17,21,23,24]。然而，关于胚胎期暴露后或直接照射对幼体的影响尚未得到充分研究。

与胚胎类似，由于保护机制不完善（如色素沉着不足和吸收紫外线的化合物含量较低，例如成体所拥有的霉菌孢素类氨基酸[25,26]），水生物种的幼体也容易受到UVB辐射的伤害。因此，UVB辐射会干扰细胞功能，影响幼体的表现，这一点在其他物种（包括棘皮动物和鱼类[27,28]）中也有观察到。此外，多种甲壳类动物的幼体具有正向趋光性——即倾向于向光照强度较高的区域迁移[29]，这会增加它们暴露于UVB辐射的风险。UVB辐射还会损害胚胎细胞的细胞外基质，导致细胞透明度降低[30]，从而增加被捕食者发现的机会，进而影响种群的生存能力。

因此，本研究提出假设：UVB辐射会导致M. olfersii幼体的形态改变，影响细胞活动，并破坏其趋光行为。本研究通过比较胚胎期和孵化后两个阶段的细胞、形态和行为方面的损害反应，来探讨UVB辐射的复杂影响。

实验过程

采集动物及获取胚胎和幼体

我们在巴西南部圣卡塔琳娜岛的Lagoa do Peri（25° 35′ S, 48° 35′ W）采集了M. olfersii成体。随后将其转移到实验室中，放入装有持续通气的60升水族箱中，保持24°C（±1）的温度，并采用Philips TLT 40 W/75瓦的灯光进行12小时光照、12小时黑暗的光周期培养。

为了获得产卵的雌性个体，每只雄性与3只雌性按比例放入水族箱中。

UVB辐射对外部形态和形态测量的影响

外部形态分析显示，所有暴露于UVB的L1–L1阶段幼体（100%）都表现出明显的身体弯曲（图1f），而对照组（图1a）和E7–L1组（图1e）则没有这种现象。

暴露于UVB的L1–L1阶段幼体的体型增大：头胸部的长度（249.8 ± 9.5 μm）明显长于未受辐射的幼体（111.5 ± 4.1 μm；P < 0.0001）。

讨论

UVB辐射能够穿透地球表面，对许多物种的细胞完整性和生理过程构成严重威胁[[35], [36], [37]]。20世纪90年代，研究人员开始关注UVB辐射对各种动物细胞的影响，尤其是淡水生物[38]。许多甲壳类动物栖息在清澈的浅水区域，这些区域的UVB波长能够到达它们，对成体、胚胎和幼体都产生负面影响，从而扰乱它们的生命周期。

结论

研究结果表明，UVB辐射会导致M. olfersii幼体细胞的形态结构、眼指数和细胞透明度发生改变。正如预期的那样，这种辐射还会破坏其趋光行为，引发胸腺嘧啶二聚体的形成，抑制细胞增殖，同时增加细胞凋亡并激活线粒体自噬。此外，这些影响在细胞、形态和行为参数中都有体现，有助于我们更深入地理解UVB辐射的多种效应。

作者贡献声明

朱利亚姆·卡蒂亚·斯特吕克（Giuliam Kátia Strücker）：负责撰写初稿、验证方法、实施研究、进行数据分析、概念构建。马德森·席尔维拉·德梅洛（Madson Silveira de Melo）：负责撰写初稿和数据管理。埃维利泽·玛丽亚·纳扎里（Evelise Maria Nazari）：负责审稿和编辑、项目监督、资金申请以及概念构建。

资金来源

本研究得到了巴西CNPq（项目编号：433094/2018-4）的支持。G.K. Strüker获得了巴西高等教育部（CAPES）的奖学金；M.S. de Melo获得了巴西高等教育部（CAPES）的博士后资助；E.M. Nazari获得了巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）的生产力奖学金（项目编号：313818/2023-1）。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系和个人情况：

埃维利泽·玛丽亚·纳扎里（Evelise Maria Nazari）表示获得了巴西国家科学技术发展委员会的财政支持；朱利亚姆·卡蒂亚·斯特吕克（Giuliam Katia Strucker）表示获得了巴西高等教育部（CAPES）的财政支持；马德森·席尔维拉·德梅洛（Madson Silveira de Melo）表示获得了巴西高等教育部（CAPES）的财政支持。

致谢

作者感谢圣卡塔琳娜联邦大学的Multiuser Biology/LAMEB实验室提供的支持。