除草剂 clomazone 胁迫下入侵种红耳龟 Trachemys scripta elegans 与本土种 Mauremys reevesii 的差异生理生化响应：抗氧化防御、组织损伤与血清代谢组比较

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Differential physiological and biochemical responses to herbicide stress: Why Trachemys scripta elegans outperforms native turtles?

　　

对除草剂胁迫的差异生理与生化响应：为何 Trachemys scripta elegans 优于本土龟？
•入侵龟预期比本土龟更能抵抗环境胁迫。
•除草剂胁迫在本地龟中诱导严重组织损伤，而在入侵龟中未诱导。
•抗氧化活性在本地龟中受到抑制，但在入侵龟中升高。
•本地龟中诱导的代谢紊乱比入侵龟更广泛。

该研究比较了入侵种 Trachemys scripta elegans 与本土种 Mauremys reevesii 幼龟在除草剂 clomazone 胁迫下的差异生理与生化响应，论文发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》。研究人员围绕入侵种是否比本土种具有更强除草剂耐受性这一核心问题，整合遗传毒性、组织病理、抗氧化和血清代谢组等多层级指标，检验入侵种在农药胁迫下是否具有更低敏感性。

研究背景方面，除草剂污染已成为普遍环境问题，尤其在邻近农业区的淡水系统中更为突出。非靶标水生生物可遭受致死和亚致死效应，除草剂径流可干扰生理稳态、破坏代谢功能，并导致长期种群下降。clomazone 是水稻和大豆田常用苗前除草剂，具有高水溶性、低挥发性和化学持久性，易淋溶进入水生环境。尽管其毒性已在鱼类和两栖动物中广泛研究，但对淡水爬行动物的影响仍 largely unexplored，原文表述为 largely unexplored。淡水龟是水生生态系统重要组成部分，却常在生态毒理评估中被忽视；其寿命长、栖息地忠诚、与沉积物和水体关系密切，可能作为化学污染监测的哨兵物种。近期研究强调，组织病理改变、红细胞核异常（erythrocytic nuclear abnormalities, ENAs）、抗氧化酶活性和代谢组响应等可作为化学暴露的敏感亚致死指标，能在种群水平效应出现前提供早期预警。入侵种常具有较高生理可塑性和适应性，可在包括污染在内的环境胁迫下竞争本土种。红耳龟 Trachemys scripta elegans 是全球最成功的入侵爬行动物之一，耐干扰栖息地和人为压力；在中国被广泛养殖，并常与本土 Mauremys reevesii 共存。后者受栖息地丧失和农药暴露威胁。比较二者对共享环境污染物的响应，有助于揭示入侵成功机制并识别敏感生物指示种，但相关比较生理和生化研究仍有限。因此，研究人员开展本研究，评估 clomazone 亚致死效应并揭示种间抗性差异。

在关键技术方法上，研究人员以实验室孵化幼龟为样本，设 0、1、10 mg/L clomazone 暴露组，每组4只，暴露7天，每日换水并测定实际浓度。主要技术包括：血涂片 Giemsa 染色后光镜计数约1000个成熟红细胞，计算 ENA 频率；肝脏固定、石蜡切片、H&E 染色并用数字病理扫描观察组织病理；肝组织匀浆测定总蛋白、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、过氧化氢酶（catalase, CAT）活性和谷胱甘肽（glutathione, GSH）含量；血清经离心、冻存、甲醇处理，采用液相色谱-质谱（liquid chromatograph-mass spectrometer, LC-MS）分析，并结合主成分分析（principal component analysis, PCA）、Kruskal-Wallis 检验、Mann-Whitney U 检验、Benjamini-Hochberg 校正、层次聚类和京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG）富集分析。入侵种数据来自同条件近期研究，用于种间比较。

研究结果部分，3.1 种间遗传毒性响应差异：通过 ENA 频率评估，clomazone 暴露显著影响 ENA，且两物种间存在差异。ENA 随 clomazone 浓度升高而增加，M. reevesii 高于 T. scripta elegans。1 和 10 mg/L 暴露下，M. reevesii 的 ENA 值分别为对照的 3.2 和 29.0 倍，T. scripta elegans 分别为 2.7 和 6.0 倍。处理与物种对 ENA 频率存在显著交互效应。3.2 种间肝脏组织病理改变差异：T. scripta elegans 在 10 mg/L 组肝细胞较多，但未观察到显著损伤；M. reevesii 出现明显肝脏组织病理改变和损伤，暴露组可见炎症肝细胞，且数量随 clomazone 浓度增加而增加，F_2,9=618.44，P<0.001。3.3 种间肝脏抗氧化响应差异：clomazone 显著影响两物种肝脏抗氧化活性。T. scripta elegans 中 SOD 和 CAT 活性随 clomazone 浓度增加而升高，M. reevesii 中则显著下降，所有 P<0.02。与对照组相比，10 mg/L 暴露的 M. reevesii 肝脏 GSH 含量较低，F_2,9=6.44，P=0.018；T. scripta elegans 中无显著变化，F_2,9=1.16，P=0.358。3.4 种间血清代谢组响应差异：PCA 显示两物种组间分离。T. scripta elegans 和 M. reevesii 中可鉴定代谢物比例分别约为 6.2% 和 11.1%。M. reevesii 中显著改变的血清代谢物更多，1 和 10 mg/L 组分别为 870 和 905 个；T. scripta elegans 中分别为 446 和 473 个，χ²=506.02，df=1，P<0.001。两个暴露组之间显著改变代谢物比例无差异，χ²=1.44，df=1，P=0.231。热图聚类也显示两物种组间差异。T. scripta elegans 中，clomazone 暴露主要与抗氧化防御和中心代谢相关代谢物升高有关，包括 glutathione、L-cysteine、α-tocopherol、sedoheptulose-7-phosphate 以及三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环中间物 citrate 和 malate。相反，M. reevesii 中 glutathione 相关前体和糖酵解代谢物如 γ-glutamylcysteine 和 phosphoenolpyruvate 明显降低，同时氧化含硫代谢物如 cysteine S-sulfate 升高。KEGG 富集显示，两物种均显著富集谷胱甘肽代谢、半胱氨酸和甲硫氨酸代谢、铁死亡、TCA 循环和磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway, PPP），但变化方向和幅度可能不同。T. scripta elegans 的变化主要集中于抗氧化和中心通路，可能具有补偿性；M. reevesii 中更广泛的应激相关通路、神经活性和内分泌相关通路富集，能量代谢通路如 TCA 循环受到干扰。核苷酸代谢通路，包括 purine 和 pyrimidine 代谢，在 T. scripta elegans 中比 M. reevesii 更明显。

讨论部分围绕预测逐项展开。ENA 是评估环境污染物基因毒性的常用指标；两物种均出现显著 ENA 增加，说明 clomazone 可诱导龟类基因毒性，但 M. reevesii 增加幅度更大，支持入侵种从基因毒性角度更不敏感的预测。抗氧化方面，除草剂暴露常诱导过量活性氧（reactive oxygen species, ROS）并造成氧化应激；SOD、CAT 和 GSH 是清除 ROS 的主要抗氧化分子。抗氧化活性通常在低暴露水平升高，在高暴露水平下降。T. scripta elegans 中 SOD 和 CAT 升高，GSH 水平未变但血清 GSH 代谢相关代谢物增加，提示抗氧化防御激活；M. reevesii 中酶活和 GSH 含量下降，提示过量 ROS 超过本土龟抗氧化能力。组织病理与抗氧化趋势一致：T. scripta elegans 无明显组织损伤，肝细胞增殖可能为补偿性反应；M. reevesii 在较低 clomazone 水平即出现明显炎症肝细胞，并随暴露浓度增加，支持预测。代谢组方面，两物种均改变能量代谢、氨基酸代谢和铁死亡等相关代谢物和通路；T. scripta elegans 显著改变代谢物较少，M. reevesii 较多，提示前者生理敏感性较低。M. reevesii 中更广泛富集神经活性和内分泌相关通路，能量代谢如 TCA 循环受扰；T. scripta elegans 中富集抗氧化、外源物运输和代谢相关通路，如 ATP 结合盒（ATP-binding cassette, ABC）转运蛋白、外源物双酚和苯乙烯降解。PPP 是产生 NADPH 的重要通路，有助于维持氧化还原平衡和修复 DNA 损伤；T. scripta elegans 中 sedoheptulose-7-phosphate 和 fructose-1,6-bisphosphate 增加、gluconic acid 减少，提示 PPP 上调，TCA 中间物如 citrate、malate 增加提示能量供应未受明显影响。M. reevesii 中 phosphoenolpyruvate 降低，提示能量平衡受损。总体而言，讨论认为入侵 T. scripta elegans 在除草剂胁迫下具有更强抗氧化和解毒能力、较低生理敏感性和较少代谢紊乱。

研究结论翻译如下：本研究清楚显示淡水龟物种间在除草剂胁迫下存在差异生理和生化响应。本土 M. reevesii 出现严重血细胞损伤、明显肝脏组织病理改变和抗氧化活性受抑；入侵 T. scripta elegans 则表现为相对轻微的血细胞损伤，伴有一定肝细胞增殖和抗氧化状态改善。这些结果提示，入侵 T. scripta elegans 可能对除草剂毒性作用更不敏感，即比 M. reevesii 更耐受除草剂相关胁迫。这种更强耐受潜力可能使 T. scripta elegans 个体在较不利环境中比本土种表现和存活更好。此外，种间差异耐受表现也反映在代谢组谱改变中。clomazone 暴露会在本土 M. reevesii 中导致与氨基酸、能量和碳水化合物代谢以及内分泌和神经信号相关的代谢通路更广泛紊乱。相反，入侵 T. scripta elegans 似乎表现出更高的抗氧化和解毒能力，可能反映在与抗氧化状态以及外源物运输和代谢相关的代谢通路改变中。总体而言，差异响应可指示入侵 T. scripta elegans 比本土龟对环境胁迫具有更低敏感性或更高耐受性，并突出基于生理和生化参数评估入侵种竞争优势的潜在措施。研究人员的发现提供了多层级证据，即物种对农用化学品的差异敏感性可能有利于入侵爬行动物的竞争成功，同时威胁本土生物多样性。然而，本研究仅在7天暴露后评估入侵与本土龟间除草剂胁迫差异效应。后续研究有必要探讨这两种龟在环境现实情景下长期暴露的潜在生态后果。