近日，华南师范大学环境学院谢凌天教授组在《Environmental Science & Technology》上发表了题为“Why western mosquitofish （Gambusia affinis） is tolerant to Se contamination: Complex mechanistic explanations”的论文（DOI: 10.1021/acs.est.5c02842）。
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食蚊鱼（Gambusia affinis）是多种硒污染水体中唯一能够存活的鱼类，但其在硒胁迫环境中的生存机制鲜有研究。本研究首先评估了硒代甲硫氨酸（Se-Met）对4种卵生鱼类和4种卵胎生鱼类的急性毒性，随后系统比较了G. affinis与斑马鱼（Danio rerio）在慢性暴露条件下的硒蓄积（性腺与子代）、生殖生物学参数及子代发育特征。结果显示：在8种受试鱼类中，G. affinis对Se-Met的96 小时半数致死浓度（LC50-96h）最高，证实其具有更强的硒耐受性。在分子层面，硒蛋白与硫蛋白相关基因的转录水平在G. affinis与D. rerio中呈现相反响应模式，且总硒蛋白含量变化仅见于卵生鱼类。慢性暴露实验表明，两物种在性腺和子代硒蓄积量、生殖发育损伤程度、胚胎/幼体发育缺陷以及子代硒外排能力等指标均存在显著差异。差异表达基因（尤其是抗氧化及炎症相关基因）在G. affinis中普遍上调，而在D. rerio中则呈现抑制状态。本研究表明，子代硒外排能力与硒代谢-抗氧化生理相关基因的协同作用，可能是G. affinis在硒污染生态系统中存活的重要机制。
引言
硒（Se）是生物体必需的微量元素，但其过量暴露具有显著毒性。水体生态系统中，来自自然与人为来源的无机硒（主要为亚硒酸盐（IV）和硒酸盐（VI））可经初级生产者及特定微生物群落生物转化为有机硒形态，并在生物体摄入后于肝脏完成代谢过程。其中，硒代甲硫氨酸（Se-Met）是水生生物体内最主要的有机硒形态（占比约50.0%～70.0%），其通过食物链向顶级物种（如鱼类和鸟类）传递，导致严重的毒性效应甚至引发硒污染水体中顶级捕食者的区域性灭绝。例如，在1974 - 1986年间受燃煤电厂含硒废水严重影响的Belews湖，鱼类种群普遍出现形态畸形、组织病理学改变及生殖功能障碍。至1977年，该湖原有20种鱼类中19种灭绝，仅西部食蚊鱼（Gambusia affinis）得以存活。类似地，在美国加利福尼亚州硒污染的Kesterson水库，在其他鱼类灭绝后G. affinis仍能存活。实验室研究进一步证实，过量Se-Met可引发鱼类能量代谢紊乱，并通过多巴胺能系统失调及神经递质改变导致运动能力下降与社会认知障碍。
从进化生物学视角，生物体对特定化学物质的抗性演化可能涉及吸收抑制、排出增强及解毒能力提升等机制，这已在杀鱼剂与金属抗性研究中获得验证。研究表明，鱼类摄入的硒可通过母体传递至卵子并蓄积于卵黄，进而引发生殖衰竭。这被认为是Belews湖及其他硒污染水体中鱼类种群灭绝的主要原因。针对G. affinis的硒耐受性，现有研究尝试从不同角度阐释其存活机制：有研究指出，采自硒污染水域的G. affinis其生殖能力与清洁水域种群相当，提示该物种可能通过快速进化适应硒胁迫环境；此外，生活在污染水体中的G. affinis体内硒含量高达0.3～0.4 μM（较清洁区种群富集66倍以上）。如何应对过量硒负荷（即解毒策略）成为该物种在污染水体维持种群稳定的关键。然而，G. affinis高硒耐受性的分子机制仍亟待阐明。
G. affinis作为全球广布的卵胎生鱼类，具有极强的生境适应性。其因体型小、易培养、存活率高等优势，已成为生态毒理学研究的重要模式生物。本研究旨在系统揭示G. affinis高硒耐受性的内在机制，选用对致畸效应敏感的斑马鱼 （Danio rerio）作为对照（该表型是硒污染水体鱼类典型毒性标志物及诊断指标）。通过急性毒性实验（8种鱼类）、总硒蛋白定量、硒/硫相关蛋白基因转录分析及生殖毒性评估，结合组织病理学、生物化学与转录组学方法，系统解析其耐受机制。本研究为深入理解G. affinis的硒耐受性及其分子基础提供了重要理论支撑。
图文导读
1. 不同繁殖方式鱼类硒代蛋氨酸的暴露效应
Se-Met对不同鱼类的急性毒性差异显著：本研究测定了8种鱼类对Se-Met的96小时半致死浓度（LC50-96h），结果显示，不同鱼类的急性毒性差异显著，G. affinis的LC5-96h显著大于其他七种鱼类（p < 0.01），达3.8 μM。这一结果与野外观察一致，G. affinis能在多种硒污染水域存活，可能与其快速进化适应（一年3代繁殖周期）相关。
总硒蛋白水平反映生殖策略差异：基础硒蛋白水平在10种鱼类中无显著差异；Se-Met暴露后，卵生鱼类（如D. rerio）总硒蛋白增加24.6 - 43.0%，而卵胎生鱼类（如G. affinis）未显著变化。这可能暗示卵胎生物种通过其他机制（如动态硒转运）应对硒毒性。
图1. 不同繁殖方式鱼类对过量硒的响应差异。
（3）硒蛋白与硫蛋白基因表达呈现物种特异性调控。G. affinis暴露Se-Met后，6种硒蛋白基因（txnrd1、dio2等）表达显著上调1.3 - 11.9倍（p < 0.05），而硫蛋白基因（mt、fdxl）下调32.4 - 45.4%。上调的硒蛋白涉及氧化还原平衡（如gpx3清除ROS）和硒代谢（如sepp1a促进硒排出）。D. rerio的硒蛋白基因（txnrd1、sps2等）表达被抑制53.8 - 57.6%，硫蛋白基因则上调2.6 - 3.4倍。这种相反趋势可能与两物种的硒耐受差异直接相关。
图2. 斑马鱼和食蚊鱼体内硒-硫蛋白相关基因的转录表达。
2. 硒在食蚊鱼和斑马鱼性腺及子代中的积累以及子代畸形差异
（1）性腺硒累积差异：随着膳食Se-Met浓度的升高，G. affinis和D. rerio性腺中的总硒浓度均增加。在H处理组，G. affinis性腺硒积累量（>5.5 μg/g湿重）显著高于D. rerio（>2.2 μg/g），且超过毒性阈值（10 μg/g干重）。因此，本研究中使用的Se-Met浓度可能会导致两种鱼类的毒性。此外，在所有Se-Met处理中，G. affinis性腺中的硒水平均高于D. rerio（除了M处理的卵巢）。
（2）子代排硒能力差异：两种鱼在不同发育阶段的F1后代体内的硒累积呈剂量依赖性增加。两种鱼的受精卵（2 - 3 hpf）中的硒水平相当（H处理除外）。鉴于G. affinis性腺中的硒含量高于D. rerio，这一阶段的硒含量相当，表明G. affinis从亲本鱼转移到子代的硒含量可能低于D. rerio，这与之前的研究结果一致。此外，在对照和L处理中，G. affinis的硒浓度随着早期胚胎和幼鱼的发育迅速下降，在144 hpf时约为1.2 - 1.5 μg/g，远低于同一时间点的D. rerio（3.1 - 3.2 μg/g）。然而，这种减少模式在M和H处理中并不明显。对于D. rerio来说，除了H处理在144 hpf的硒含量外，其他处理的硒含量在胚胎和幼鱼的早期发育过程中保持相对稳定。这表明，在胚胎发育的早期阶段（即从囊胚到孵化再到幼鱼），G. affinis转移并积累在子代卵黄囊中的硒可能比D. rerio具有更高的外排能力。随着后代硒水平的增加，这种能力受到损害。这种早期发育阶段的主动排硒机制可能是其耐受性关键。
（3）子代畸形率与物种耐受性直接相关：G. affinis F1代幼鱼在60天暴露后未出现畸形，而D. rerio在M/H处理组畸形率增加14.3 - 51倍（p < 0.05），表现为脊柱弯曲、心包水肿等。这与G. affinis高效的硒排出能力及氧化应激调控基因表达上调密切相关。
图3. 斑马鱼和食蚊鱼的性腺和子代中硒的累积。
图4 斑马鱼和食蚊鱼子代畸形机制解析。
3. 性腺组织学、抗氧化生理与转录组分析的物种差异
（1）性腺发育差异：Se-Met促进G. affinis性腺成熟（卵母细胞/精原细胞比例增加），但抑制斑马鱼性腺发育。这些结果表明，过量的硒抑制了D. rerio的卵巢和精巢发育。G. affinis的性腺发育成熟可能会加速其后代的产生，从而缩短其世代时间，这被认为是进化出对化学物质的抗性和/或在不利环境中生存的关键因素。
（2）氧化损伤差异：两物种性腺丙二醛（MDA）水平均升高，但G. affinis精巢MDA显著低于D. rerio，提示其抗氧化系统更高效。与此同时，Se-Met的升高显著改变了抗氧化酶（如谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶）的活性（更多讨论在文本S7中）。鉴于G. affinis精巢中硒的组织负荷高于D. rerio，因此G. affinis精巢中MDA的水平低于D. rerio，这表明G. affinis能够更好地应对硒水平的升高。
（3）转录组分析揭示关键代谢通路差异：在在H处理组的G. affinis的精巢中共鉴定到10个差异表达基因（DEGs），而在卵巢中，与对照组相比，发现了167个DEGs（159个上调，8个下调）（p < 0.05）。相比之下，在D. rerio的精巢中共发现163个DEGs（约13.5%上调，86.5%下调），而卵巢中仅观察到46个DEGs（p < 0.05）。这些结果表明，Se-Met对转录组谱的影响存在性别特异性差异。此外，Se-Met似乎对性腺（即G. affinis的卵巢和D. rerio的精巢）产生了不同的作用，暗示其对性腺转录组的影响也具有物种特异性。特别是，D. rerio精巢中与免疫系统和能量代谢相关的DEGs被抑制，以及与抗氧化系统相关基因的转录本减少，可能解释了组织病理学分析中观察到的性腺发育受抑制现象。相反，Se-Met在G. affinis卵巢中引起了这些系统相关DEGs和基因的上调，这可能解释了性腺发育的促进（参见组织病理学结果）并有助于解毒升高的硒水平。
图5. 斑马鱼和食蚊鱼的氧化应激应对机制。
图6. 斑马鱼和食蚊鱼性腺中差异表达基因。
结论与意义
本研究的结果表明，食蚊鱼在早期发育阶段的硒外排能力可能对预防高硒毒性具有至关重要的作用，从而增强其硒耐受性。生殖策略在提升硒耐受性中的作用也不可忽视。水生生态系统的硒污染对鱼类的生态风险首当其冲，过量的硒蓄积是硒污染的Belews湖和Kesterson水库中顶级捕食者（即鱼类和鸟类）区域性灭绝的主要致因。在过去二十年间，学界投入大量研究努力以评估硒对水生生态系统的生态风险，并为栖息于硒污染水体鱼类中观察到的硒毒性现象提供机制性解释。综上所述，本研究旨在解析食蚊鱼能够在硒污染水体中存活的原因，重点关注硒对其生殖生物学及涉及免疫与抗氧化系统的硒蛋白的影响。研究发现为鱼类早期发育阶段硒外排能力应对过量硒的作用提供了理论依据，并部分解释了食蚊鱼种群在硒污染生态系统中持续存活的机制。
全文引用：Wei X, Li X, Zhou W, Yan B, Chen T, Wu F, Luo Y, Mu J, Zhang Y, Chen H, Xie L. Why Western Mosquitofish (Gambusia affinis) Is Tolerant to Se Contamination: Complex Mechanistic Explanations. Environmental Science & Technology, 2025, DOI: 10.1021/acs.est.5c02842.