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Microbiome | 可怕！除草剂浓度合格的饮用水也能引起胚胎败育

迈维代谢

2022.2.08

农达导致非靶标物种胚胎败育、并改变代谢途径及肠道菌群功能

期刊：Microbiome

时间：2020.12

IF：11.6

围绕除草剂农达（Roundup）的研究是二十一世纪最具争议的研究之一。科学家已经提供了不确定的证据，证明该除草剂会导致癌症和其他威胁生命的疾病，而行业付费研究报告表明，该除草剂不会对人或动物产生不良影响。关于农达的许多争议源于用于确定化学品安全使用的方法，该方法被认为已经是过时的。作者将系统生物学方法应用于生物医学和生态模型物种水蚤，以充分利用水蚤的无性繁殖优势，来量化草甘膦及其商业配方农达对水蚤适应性，转录组和肠道菌群的影响。然后，作者应用基于机器学习的统计分析来识别转录组和微生物群变化之间的相关性。

1、农达和草甘膦对水蚤适应性的影响

作者量化了长期暴露于生态相关浓度的农达和草甘膦所产生的适应性影响，美国环境保护署设定的长期暴露于饮用水的最大污染物水平（MCL）为1mg / L。结果发现，这些扰动影响了除死亡率外所有与适应性相关的生活史特征（表1）。影响的严重程度因基因型而异，表明遗传背景会影响适应性反应。两种化合物均显着降低了繁殖力，增加了发育衰竭（以流产的卵和幼仔在出生时死亡的数量来衡量），导致延迟成熟以及成熟时的体型减小（表1）。暴露于草甘膦和农达均导致显著的遗传毒性，其严重程度取决于基因型。

表1：农达和草甘膦对适应性相关指标影响的方差分析

2、宿主转录组对农达和草甘膦的反应

同样利用四种基因型的材料，定量了草甘膦及其商业配方农达对水蚤转录组的影响。对照（未暴露）水蚤与接触草甘膦和农达的水蚤之间的基因表达水平未发现任何显著差异。不同处理间的差异小于基因型间差异。

图1：转录组数据样本相关性分析

为了揭示适应性相关性状和遗传毒性反应中观察到的现象，作者进行了加权基因共表达网络分析，用来识别被同步调节的基因网络，即使它们的组成基因低于差异基因统计阈值。然后这些基因网络用于鉴定富集的功能途径。结果发现，大约有三分之二的水蚤基因富集在胚胎发育，生长，形态发生和基本代谢，以及驱动转录早期反应并在不同遗传背景中不同处理中都是这样。早期应激反应后是条件特异性转录反应，从而出现了与草甘膦相关的一个模块（模块8）和与农达相关的四个模块。草甘膦特有的模块8富集了关键的代谢途径:信号传导途径，细胞活性和亨廷顿病途径。这些途径中富集的基因包括膜转运蛋白，转录调控和蛋白质结合基因。在数据库中搜索的这些基因的功能域与卵黄蛋白原，血淋巴保幼激素，蛋白质转运蛋白，氧化还原机制和止血相关。作者使用了“Reactome”来确定整个生命之树中的保守域以及其他物种中草甘膦和农达的潜在靶标。保守的基因结构域可能是草甘膦在其他物种的靶标，包括三个主要类别：肝脏代谢（脂质和葡萄糖），炎症途径（白细

胞）和负责修复伤口和组织重塑的胶原蛋白降解。

与农达相关的四个共表达基因模块，分别包含31至33个基因（模块20、23、26、34）。这些模块中富集的途径包括RNA转运（模块20）和脂肪酸代谢（模块34）。这些模块的结构域分析发现与基本细胞功能和运输调控相关：包括细胞DNA结合，细胞增殖，膜运输，甲基转移酶，DNA修复（核酸内切酶），糖代谢和蛋白水解。“Reactome”分析表明，水蚤与其他物种之间几乎没有与农达相关的途径是保守的。生命之树上的保守结构域调节基本的蛋白质功能和膜转运以及胆固醇和糖代谢。

3、肠道菌群应对草甘膦和农达胁迫的变化

作者利用与上述研究中相同的四种基因型的水蚤量化了农达和草甘膦对肠道菌群动态和组成的影响。首先，作者进行了实验以表征微生物群，确定其起源和从肠道定殖（出生后48 h）到最后一个龄期（出生后144 h）不同异种的差异；然后，作者量化了农达和草甘膦对已建立的肠道菌群的影响（图2）。

肠道菌群在最后一龄时稳定，并受到强烈的遗传影响。作者观察到当草甘膦和农达与抗生素同时出现时，肠道菌群的建立成功可能受到更严重的影响，作者量化了这两种化合物对用抗生素（无细菌）处理和未经处理的水蚤的影响。

首先，通过不同基因型之间表现出不同丰度的OTUs证实了肠道菌群的组成是受遗传影响的。不同的肠道群落组成（β多样性）可以解释基因型间的显著差异。其次，作者量化了草甘膦和农达对建立肠道菌群的影响。作者观察到草甘膦和农达均以基因型特异性方式显著改变了已建立的肠道菌群的相对丰度和组成。其中六个科（Moraxellaceae, Burkholderiaceae, Beijerinckiaceae, Rhizobiaceae, Nocardiaceae, Flavobacteriaceae）和七个属（Acinetobacter, Acidovorax, Limnohabitans, Legionella, Galbitalea, Rhodococcus, Flavobacterium）的相对丰度发生了显著变化（图3），它们都是非核心类群。

草甘膦和农达以基因型特异性方式影响已建立的肠道菌群的变化，导致不同基因型水蚤之间的肠道菌群组成不同（图4）。包括所有处理的样本的OTUs的分层聚类表明，除基因型LRV13_2外，样品差异首先由是否经过抗生素处理解释，然后可以通过是基因型差异解释。

受草甘膦和农达影响的已建立的肠道菌群的细菌家族（图4）与在肠道菌群定植期间受到影响的细菌家族不重叠。

图2：OTUs丰度差异。不同处理与基因型之间上调和下调的OTUs数量

图3：OTUs富集情况。不同样本OTUs的富集情况

图4：暴露于草甘膦和农达后的微生物群组成

4、转录组与微生物组变化之间的相关性

宿主转录组分析在单个基因水平上没有鉴定出显著差异，而清楚地鉴定了受农达和草甘膦影响的基因网络和途径。传统的统计方法本质上是渐近的，不适合识别多维转录组和微生物组数据集之间的相关变化。因此，作者使用随机森林分类器和随机森林回归，应用基于机器学习的统计分析来确定草甘膦和农达长期暴露引起的转录组变化与微生物群组成变化之间的相关性。然后，作者对与微生物群组成变化显著相关的转录共表达网络进行了功能分析，以确定在生命之树上保守的富集途径。

草甘膦诱导的宿主转录变化富集在神经活动配体受体，范可尼贫血（FA）和DNA修复途径，这均与肠道菌群改变显著相关。这三种富集的途径与9个OTUs显著相关，包括迪茨氏菌科，诺卡氏菌科，微杆菌科，放线菌，链球菌，柄杆菌科，鞘脂单胞菌，伯克氏菌和莫拉菌。其中，四个OTUs家族（占39％）是核心类群，四个是同一门系（放线菌）的。

由农达诱导的宿主转录变化富集了脂质代谢和信号转导通路，与微生物群的移动显著相关。与农达相关的整个生命之树中保守的的途径如下：the cannabinoid, the Wtn, the Hedgehog, the Forkhead box protein O (FoxO), 和TGF-beta途径。这些通路与肠道菌群放线菌门菌和6个OTUs家族显著相关：微球菌科，黄杆菌科，葡萄球菌科，糖荚菌科和根瘤菌科等。在这些OTUs中，有15％属于核心类群。农达引起变化的途径在功能上与放线菌的变化有关。草甘膦和农达引起的非核心类群的变化导致关键功能途径发生改变。草甘膦和农达相关的基因调控网络都极大地富集在了碳代谢，脂质代谢，信号转导和排毒途径。

研究目的：

农达和草甘膦对非靶标物种的影响。

研究结论：

长期暴露于农达和草甘膦浓度合格的饮用水中引起胚胎发育失败和关键代谢功能的改变，主要是通过对宿主分子过程的直接影响以及对肠道菌群的间接影响。水生生态模型物种水蚤在水生生态系统的食物网中占据中心位置，除草剂对该关键物种的影响对水生食物网具有连锁效应，影响了它们提供关键生态系统服务的能力。