亚致死剂量噻虫胺破坏家蚕PI3K–AKT–mTOR稳态并诱导自噬-凋亡失衡

《Journal of Hazardous Materials》：Sublethal clothianidin disrupts PI3K–AKT–mTOR homeostasis and induces autophagic-apoptotic imbalance in Bombyx mori

　　

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  亚致死浓度的噻虫嗪延迟了家蚕的发育并诱导了毒性效应。
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  亚致死浓度噻虫嗪抑制了脂肪体中的代谢和免疫功能。
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  噻虫嗪在脂肪体中诱导的转录组反应强于中肠。
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  转录组分析显示，PI3K-Akt-mTOR通路中的多个基因表达下调。

引言

在现代农业生产中，无人机（UAV）实现了农药的高效施用，使药液均匀且精确地沉积在作物表面，从而实现害虫防治、病害管理和生长调节等关键农业目标 [1], [2]。然而，无人机喷洒过程中药液滴的飘移在农业生态系统中造成了非靶标风险 [3], [4]，威胁着蜜蜂和家蚕等有益非靶标生物 [5], [6]。新烟碱类杀虫剂占全球杀虫剂市场的25%以上，是当前害虫防治中最广泛使用的化学物质类别之一 [7], [8]。这些化合物具有显著的系统传导性和渗透性，能够高效防治刺吸式和咀嚼式害虫 [9], [10], [11], [12], [13]。新烟碱类化合物主要通过作为昆虫烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）的激动剂发挥作用，选择性结合这些受体，扰乱突触后传递，最终导致靶标生物持续兴奋、麻痹和死亡 [14], [15], [16]。在该类主要化合物中，噻虫嗪因其高水溶性、环境持久性和在土壤-水体系中的移动性而备受关注。这些特性可能促进其在土壤、水和植物之间的转移 [17], [18], [19]。因此，以往研究报道了噻虫嗪对多种非靶标生物的发育、繁殖、免疫能力和存活产生不利影响 [20], [21], [22]。

噻虫嗪暴露已被证实与非靶标生物中的氧化应激、免疫失调、代谢紊乱和适合度降低相关 [23], [24], [25], [26]。然而，亚致死浓度噻虫嗪暴露是否扰乱了协调代谢稳态和细胞命运的保守信号网络仍知之甚少。家蚕（Bombyx mori）因其对农药的极高敏感性、特征明确的生理学和成熟的环境毒理学应用，为回答这一问题提供了强有力的模式生物 [27], [28], [29], [30]。以往研究已表明，新烟碱类暴露会损害家蚕的生长和吐丝量 [31], [32]，扰乱能量代谢和肠道微生物稳态 [28], [33]，并在家蚕中诱导生殖毒性 [34], [35]。尽管已有这些表型观察，但噻虫嗪诱导的亚致死毒性背后的细胞内信号级联和器官特异性分子机制在很大程度上仍未得到阐明。

本研究系统评估了亚致死浓度噻虫嗪暴露下家蚕幼虫的亚致死毒理学反应。通过整合表型毒理学、超微结构、转录组和分子分析，本研究旨在阐明噻虫嗪在家蚕幼虫中的亚致死毒性机制。我们发现，脂肪体对噻虫嗪诱导的应激显著比中肠更为敏感。细胞损伤伴随着PI3K–AKT–mTOR信号通路的紊乱以及自噬-凋亡失衡。这些发现为噻虫嗪对非靶标生物的亚致死毒性提供了细胞和通路层面的参考。

章节摘要

昆虫

本研究使用秋丰×白宇品系的家蚕（B. mori）。幼虫在26–28 °C、相对湿度70%、12小时光照/12小时黑暗的光周期条件下饲养，并在实验处理前饲喂新鲜桑叶。所有暴露实验均选用刚蜕皮后的三龄幼虫（三龄第1天，L3D1）。暴露前，幼虫禁食2小时以同步取食状态。

化学品

噻虫嗪（纯度 > 98%）购自奥莱夫（上海，中国）。该化合物的化学结构式为

亚致死浓度噻虫嗪暴露以浓度依赖方式抑制家蚕幼虫生长

选用噻虫嗪浓度为0.006和0.06 mg L^-1。在暴露后24小时内，0.06 mg L^-1组部分幼虫出现了中毒症状 [45]，包括震颤、体节缩短、呕吐和采食量减少（图S2）。相比之下，暴露于0.006 mg L^-1噻虫嗪的幼虫未观察到此类变化（图1A）。为了直观评估亚致死毒性，在48小时暴露期间监测了幼虫体重和存活率。体重为

讨论

基于无人机的农药施用提高了喷洒效率，但药液飘移可能增加农业生态系统中非靶标生物的暴露风险 [61], [62], [63]。以往关于新烟碱类毒性的研究主要关注急性神经毒性或氧化应激 [64], [65], [66], [67], [68], [69]，而将亚致死暴露与细胞损伤联系起来的细胞内信号机制仍定义不清。本研究揭示了亚致死浓度噻虫嗪暴露诱导协调性破坏

结论

基于无人机的农药施用增加了新烟碱类农药飘移至周边非靶标栖息地的可能性。在家蚕中，亚致死浓度噻虫嗪暴露与ATP结合过程紊乱及免疫/代谢通路表达下调相关，同时伴随PI3K–AKT–mTOR信号通路抑制和自噬-凋亡失衡。这些结果表明，除了经典的突触神经毒性外，噻虫嗪还影响能量代谢和细胞存活调控。

环境意义

噻虫嗪是一种广泛使用的新烟碱类杀虫剂，由于其系统传导活性、环境持久性和喷洒飘移倾向，对非靶标生物构成风险。尽管担忧日益增加，但其超出神经毒性之外的亚致死毒性背后的细胞内信号级联和器官特异性分子机制仍缺乏明确定义。在此，我们证明亚致死浓度噻虫嗪暴露优先靶向家蚕脂肪体，触发超微结构

CRediT作者贡献声明

罗宇涵：方法学、调查研究。孙丹阳：原稿撰写、验证、调查研究、概念构思。陆清瑜：验证、调查研究。马欢燕：验证、调查研究。杨怡萍：验证、调查研究。张恩婷：验证、调查研究。潘美良：验证、调查研究。王华兵：审阅与编辑、指导。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由浙江省农业重大技术协同推广项目（2024ZDXT09）、国家自然科学基金（批准号：32170483；32570551）、浙江省自然科学基金（LQ24C170003）及浙江省科技合作计划资助。我们感谢浙江大学农学生物与环境科学学部生物超微结构分析实验室的协助

孙丹阳|罗宇涵|马欢燕|陆清瑜|杨怡萍|潘美良|张恩婷|王华兵