快速的热演化会降低金属在温度梯度下的协同作用

《Journal of Hazardous Materials》：Rapid thermal evolution reduces synergisms with a metal across a thermal gradient

温度依赖性锌毒性与热进化协同效应研究。通过比较经历40年热波动复苏的老与新技术水 flea种群，揭示锌毒性随温度升高加剧，但热进化在30℃时使协同效应减弱53%。发现热进化提升的急性热耐受（CTMAX+0.69℃）和慢性存活率（+23pp）被锌毒性部分抵消，验证了环境压力梯度下多应力互作机制。

　　

董颖|朱莉·维尔海恩|罗比·斯托克斯

进化压力生态学与生态毒理学，鲁汶大学，Debériotstraat 32，3000 鲁汶，比利时

摘要

对自然压力源的快速适应性进化可能会影响对毒物的耐受性，以及这种毒性如何沿着自然压力源的梯度增强。尽管这对于准确的生态风险评估至关重要，但这两个方面仍然研究不足。因此，我们测试了水蚤Daphnia magna在温度梯度（12°C至30°C）下对锌（150和300 μg L^-1）的毒性，并研究了快速温度进化如何影响这一过程。我们比较了两个子种群：一个子种群与另一个子种群相隔40年，而这两个子种群所在的湖泊经历了热浪频率的三倍增加。在较老的子种群中，高浓度的锌降低了生存率（-21个百分点）和急性耐热性（20°C时的CT_MAX降低了0.69°C）；在更高温度下（30°C时：生存率降低了31个百分点，CT_MAX降低了0.80°C），这表明存在协同效应。较高耐热性的快速进化导致了对锌的耐受性降低：在较新的子种群中，30°C时高浓度的锌使生存率降低了41个百分点，CT_MAX降低了1.0°C。快速进化还导致在30°C时温度升高和锌之间的协同效应出现，而在28°C时则不再出现这种协同效应，而且30°C时的生存率协同效应减弱了53%。我们的发现强调了在评估温度升高和毒物的综合效应时，纳入快速温度进化和实际温度梯度的重要性。整合这些方面将有助于提高预测温度依赖性毒性模式的能力。

引言

生态风险评估的一个关键挑战是，生物体越来越多地面临多种人为压力源，这些压力源的影响可能会相互作用[1]。为了更准确地评估和缓解这些生态风险，了解在环境现实条件下压力源何时以及如何相互作用至关重要[2]。然而，这些相互作用仍然难以预测，使用相同压力源组合的研究可能会得出不同的结果[1]。最近强调了两个研究不足的方面，这些方面可能导致同一物种内不同压力源之间的相互作用模式有所不同。首先，对一种压力源的快速适应性进化可能会影响对另一种压力源的耐受性[3]、[4]，从而改变压力源的综合效应和压力源相互作用的类型。虽然对包括污染物和温度升高在内的多种人为压力源的快速适应性进化非常普遍[4]、[5]、[6]、[7]，但只有少数研究测试了这种快速进化如何影响压力源之间的相互作用类型[3]、[4]、[8]。其次，压力源之间的相互作用可能取决于所涉及的压力源的强度[1]、[9]。然而，测试压力源相互作用如何随压力源梯度变化的研究仍然很少（参见例如[10]、[11]）。据我们所知，还没有研究将这两个方面结合起来。这种整合对于评估自然种群中多种压力源的效应是必要的，因为对单一压力源的耐受性进化可能会影响对另一种压力源的耐受性，以及两种压力源的综合效应。

在水生生态系统中，两个主要的压力源——温度升高和污染物暴露——可以放大彼此的负面影响（协同效应[12]、[13]），对生物多样性构成日益严重的威胁。有证据表明，水生动物在温度升高条件下可能会迅速进化出更高的耐热性（例如[14]、[15]）。然而，对一种压力源的耐受性进化可能会导致对另一种压力源的耐受性降低，这体现在“耐受性代价”概念中[16]，这可能会限制在多重压力源环境下的进化补救潜力[5]。尽管如此，在温度进化背景下，关于这一主题的研究仍然很少。在长期的进化时间尺度上，这一概念在自然Drosophila种群中得到了支持，因为来自温暖地区的种群进化出了更高的耐热性，但对杀虫剂吡虫啉的耐受性却降低了[17]。在较短的时间尺度上，水蚤Daphnia magna的一个自然种群中，快速进化出的更高耐热性导致了其对锌的敏感性增加[18]。尽管这两项研究都表明耐热性的进化可能会干扰污染物，但它们并没有让动物暴露在压力源的组合下，因此无法评估温度进化对温度升高和污染物之间广泛存在的协同效应的影响。

在全球变暖研究中，温度性能曲线（TPCs）是一种广泛使用的工具，用于评估种群在温度升高条件下的当前和未来风险[19]。然而，只有少数研究测试了毒性如何随温度梯度变化，以及污染物如何影响TPCs的位置和形状（但参见例如[10]、[11]、[20]）。据我们所知，只有两项研究考虑了温度进化，这两项研究都是通过比较不同纬度的种群来进行的，因此是在较长的进化时间尺度上进行的。这两项研究对温度依赖性毒性的变化得出了相反的结论：对于弹尾虫中的杀虫剂吡虫啉，发现其温度依赖性在不同纬度之间有所不同[11]，而对于豆娘中的杀虫剂氯吡硫磷，则没有这种差异[10]。迫切需要了解快速温度进化如何改变温度依赖性毒性，因为在当代全球变暖背景下，快速进化最为相关，而且可能无法反映沿纬度梯度看到的长期温度进化。例如，在长期进化过程中，基因权衡（如对两种压力源的耐受性之间的权衡[14]）更有可能消失。

在这项研究中，我们的主要目标是更好地了解温度依赖性毒性的发生情况。因此，我们测试了金属锌的毒性如何随温度范围的广泛变化，以及这种变化如何受到快速温度进化的影响。我们利用了一项关于单个D. magna种群的研究，该种群在40年内快速进化出了更高的耐热性[15]、[18]。Daphnia是水生系统中的关键食草动物和重要猎物，因此压力源耐受性的变化可能会通过食物网产生连锁反应，从而对生态系统产生潜在影响（例如湖泊清澈状态的变化[21]。锌是水生系统中广泛存在的有毒物质，其在水体中的长期存在可能导致慢性暴露，威胁生态系统和人类福祉[22]。董等人的先前研究[18]表明，Daphnia仅在20°C时暴露于锌，发现温度进化带来的急性耐热性提高的好处被对锌的更高敏感性所抵消。我们在此扩展了这项研究，以探讨我们的新研究问题：（i）温度和污染物的综合效应如何随温度梯度（12-30°C）变化，以及快速温度进化如何影响（ii）对污染物的耐受性和（iii）温度和污染物的综合效应？为了解决这些问题，我们将来自古老和最近（经过温度进化）的Daphnia子种群暴露在包含三种锌水平的温度梯度下。我们不仅量化了急性耐热性（CT_MAX），还量化了慢性耐热性（长期生存率），因为这两者可能表现出不同的模式，并可能存在权衡[23]。我们还评估了对体型的影响，体型与Daphnia的适应性相关，可能影响急性耐热性[24]。

与我们的三个研究问题相关，我们提出了以下三个假设。（i）我们预计在最高和最低温度下锌的负面影响都会增强，因为理论上和实证上都表明，随着环境压力的增加，毒性敏感性会增加[25]。（ii）基于本研究系统中的先前工作[18]，我们假设最近经历更频繁热浪的子种群在无锌的情况下，在较高温度下会表现出更高的生存率和CT_MAX，但在有锌的情况下这些优势会被抵消。（iii）由于温度进化可能会降低感知到的热应力强度[8]，我们预计在经过温度进化的子种群中，温度升高和锌之间的协同效应会减弱，除非对锌的敏感性增加[18]更为重要。评估这些假设将有助于开发预测温度依赖性毒性模式发生的框架。

研究系统

我们使用了从Felbrigg Hall Lake（52°54.10′ N, 1°15.19′ E）收集的D. magna克隆，这是一个位于英格兰北诺福克海岸附近的浅湖（平均深度90厘米[26]）。这个湖泊没有工业废物暴露的历史[8]。它有详细的温度记录，并在古湖沼学研究中被广泛研究[15]、[26]。从休眠卵库中复活了两组D. magna克隆：一组来自较深的沉积层

培养基中的锌浓度

在暴露期开始时，低浓度和高浓度的锌分别为（平均值±1标准误差）103.99 ± 6.24 μg L^-1和211.66 ± 12.70 μg L^-1。在96小时的暴露期结束后，所有温度下的低浓度（65.35 ± 26.26 μg L^-1）和高浓度（136.70 ± 38.75 μg L^-1的锌浓度都低于暴露期开始时的浓度（低浓度时P = 0.05；高浓度时P < 0.001；见图S1）。96小时后，不同温度下的锌浓度没有差异

讨论

虽然低浓度和高浓度的锌都降低了两个子种群的生存率和耐热性（CT_MAX），但在较高温度下锌的毒性得到了增强（假设i）。当未暴露于锌时，最近子种群在较高温度下的热进化与较高的慢性耐热性（生存率）和急性耐热性（CT_MAX）相关。然而，考虑到锌在较高温度下的更强负面影响

结论

通过将复活生态学与一个共同花园实验相结合，该实验让生物体在较大的温度梯度（12至30°C）下暴露于金属，我们揭示了三个可以改进生态风险评估的关键模式。首先，我们证明了毒物可以抵消温度进化的益处。尽管我们观察到在温度升高（30°C）条件下，快速温度进化导致急性耐热性（CT_MAX提高了0.3°C）和慢性耐热性（生存率提高了23个百分点）

环境意义

我们测试了水蚤Daphnia magna在自然湖泊中可能遇到的环境相关锌浓度范围内的毒性。此外，我们还评估了在全球变暖背景下越来越常见的快速耐热性进化如何影响这些温度依赖性毒性模式。我们的结果表明，锌在温度升高条件下的毒性增加在较高温度下更为明显，但受到温度的减弱

CRediT作者贡献声明

董颖：撰写——原始草稿，可视化，调查，正式分析。罗比·斯托克斯：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。朱莉·维尔海恩：撰写——审阅与编辑，验证，监督，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢Ria Van Houdt、Geert Neyens和Rony Van Aerschot在实验过程中提供的技术帮助。YD的个人资金由中国奖学金委员会（CSC）（授权号202106140030）提供。这项工作得到了鲁汶大学（C16/23/003）和弗兰德斯科学研究基金（G014423N）的研究资助。