基于LC-MS技術研究氟氯苯氰菊酯對西方蜜蜂工蜂幼蟲代謝的影響

虞龍濤，楊何妍，蘇宇晨，顏偉玉，吳小波?

1江西農業大學蜜蜂研究所/江西省蜜蜂生物學與飼養重點實驗室，南昌 330045；2江西農業大學動物科學技術學院，南昌 330045

0 引言

【研究意義】蜜蜂是一種非常重要的授粉昆蟲，許多農作物都依賴蜜蜂授粉，蜜蜂給全世界農業創造了巨大的經濟價值[1]。然而蜜蜂也受到許多危害，如病毒、寄生蟲、螨蟲等，其中蜂螨作為主要危害，給全球蜜蜂產業造成嚴重的損失，目前治理蜂螨最為簡便的方法是使用殺螨劑。氟氯苯氰菊酯（flumethrin）屬于第二代擬除蟲菊酯類殺蟲、殺螨劑，使用時將其掛入蜂箱巢脾中，通過蜜蜂活動時接觸藥條并互相傳遞，使藥發揮作用[2]，由于殺螨劑具有一定的毒性，在殺死螨蟲的同時也會威脅到蜜蜂的健康。目前，許多研究表明殺螨劑會給蜜蜂生理和行為帶來不可逆轉的影響[3-6]，但是關于氟氯苯氰菊酯影響蜜蜂的健康狀況機制研究則相對滯后。因此，測定氟氯苯氰菊酯影響下工蜂幼蟲代謝物的變化，并探討涉及的代謝通路，可為進一步闡釋殺螨劑影響蜜蜂發育的機制提供參考。【前人研究進展】氟氯苯氰菊酯作為一種毒性藥物，直接暴露于氟氯苯氰菊酯下的蜜蜂健康狀況會受到其明顯的影響。有研究表明，亞致死劑量的氟氯苯氰菊酯會引起西方蜜蜂（Apismellifera）機體紊亂[3-5]，QI等用 1、10、100 μg·L-1氟氯苯氰菊酯處理西方蜜蜂后發現，氟氯苯氰菊酯在幼蟲變態和成蟲羽化過程中都有明顯的致死作用。在幼蟲期連續暴露后，幼蟲的抗氧化酶（SOD和CAT）、脂質過氧化（MDA、LPO和POD）和解毒酶（GSH、GST和GR）發生了顯著變化[3]。而且經0.01、0.1和1.0 mg·L-1氟氯苯氰菊酯慢性染毒14 d后，蜜蜂中腸出現明顯的抗氧化反應、解毒作用、免疫反應和細胞凋亡[4]。此外，牛新月[5]研究發現，給西方蜜蜂幼蟲飼喂含氟氯苯氰菊酯的糖水，蜜蜂幼蟲的發育受到影響，并且剛出房的蜜蜂出現畸形，蜜蜂解毒關鍵酶的含量以及活性也有明顯差異。氟氯苯氰菊酯還會影響中華蜜蜂（Apiscernana）的壽命以及死亡率，TAN等[6]研究發現，攝入亞致死劑量含氟氯苯氰菊酯的糖水會顯著影響中華蜜蜂的壽命并影響到蜜蜂的采集行為。江武軍等[7]采用10、100 mg·kg-1的氟氯苯氰菊酯糖水飼喂中華蜜蜂，發現氟氯苯氰菊酯處理組蜜蜂中腸組織AcCYP9E2表達量顯著高于對照組，CYP9E2參與了外源物質代謝解毒過程，表明氟氯苯氰菊酯會影響蜜蜂解毒功能。【本研究切入點】多數研究表明，氟氯苯氰菊酯對蜜蜂幼蟲以及成蟲帶來不可逆轉的影響，但蜜蜂對氟氯苯氰菊酯代謝的研究相對滯后，有關氟氯苯氰菊酯對蜜蜂血淋巴代謝物影響的研究未見報道，蜜蜂代謝氟氯苯氰菊酯的機理尚不明確。【擬解決的關鍵問題】采用液相色譜-質譜聯用技術（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）檢測氟氯苯氰菊酯處理后蜜蜂幼蟲代謝物，并篩選差異代謝物，分析涉及到的代謝通路，結合代謝通道數據庫（Kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG），探究氟氯苯氰菊酯影響下蜜蜂代謝物的變化規律，為進一步闡明蜜蜂代謝氟氯苯氰菊酯的機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試蜜蜂

利用群勢相近的3群西方蜜蜂，飼養于江西農業大學蜜蜂研究所內，試驗開展時間為2019年。

1.2 藥物配置

根據氟氯苯氰菊酯在蜂產品中的殘留情況[8-11]，結合氟氯苯氰菊酯對蜜蜂的亞致死劑量濃度[6,12]，氟氯苯氰菊酯處理濃度為0.5、5、50 mg·kg-1。用50%糖水稀釋氟氯苯氰菊酯至 0.5、5、50 mg·kg-1，以飼喂50%糖水作為對照組。

1.3 限王產卵及淋巴液的采集

將蜂王限制在巢脾上產卵12 h，隨后將蜂王產卵區域分為4組，并將產卵的巢脾放在繼箱上孵化，第5天開始，在巢脾不同區域每天用移液槍分別給小幼蟲飼喂含有氟氯苯氰菊酯的糖水，飼喂量從第5天至第8天逐日遞增（1.5、2、2.5、3 μL），第9天將幼蟲從脾中挑出，置于經高溫滅菌的培養皿內，用高壓雙蒸水沖洗3遍直到其體表被沖洗干凈，之后用濾紙吸干幼蟲體表水分。將幼蟲置于 PE手套上，用剪刀在幼蟲的頭部剪一個小口，用移液槍吸取流出的血淋巴，轉移至1.5 mL的EP管。每個EP管收集的蜜蜂幼蟲血淋巴體積為200 μL。然后14 000×g、4℃離心15 min。離心后，取120—150 μL上清于新的1.5 mL EP管中為1個樣品，并快速置于液氮中凍存，每組6個重復。

1.4 代謝物的提取

將樣本在4℃條件下緩慢解凍后，取100 μL置于96孔板中，加入300 μL提取液（甲醇﹕乙腈=2﹕1，-20℃預冷）、10 μL內標1、10 μL內標2，渦旋混勻1 min，-20℃靜置2 h后，4℃，4 000×g離心20 min。離心后取300 μL上清，置于冷凍真空濃縮儀抽干后，加入150 μL復溶液（甲醇﹕水=1﹕1）進行復溶，渦旋振蕩1 min，4℃，7 000×g離心30 min，取上清置于上樣瓶中。每個樣本的上清液各取 10 μL混合成QC質控樣本，用于評估 LC-MS分析過程的重復性和穩定性，通過QC樣本檢測的重復性對數據質量進行評估，內容包括 QC樣本的基峰離子流圖（base peak chromatogram，BPC）、主成分分析（principle component analysis，PCA）、提取到的峰數量和峰相應強度差異。

1.5 色譜條件

本研究期望在正、負離子模式下尋找3種劑量氟氯苯氰菊酯處理組與對照組共同的差異代謝物，但負離子模式下未檢測出共同的差異代謝物，因此只分析正離子模式下的結果。所使用的色譜柱為 BEH C18色譜柱（1.7 μm，2.1×100 mm，Waters，USA）。流動相為含0.1%甲酸的水溶液（A液）和含0.1%甲酸的100%甲醇（B液）。采用以下梯度進行洗脫：0—1 min，2% B液；1—9 min，2%—98% B液；9—12 min，98% B液；12—12.1 min，98% B液—2% B液；12.1—15 min，2% B液。流速為0.35 mL·min-1，柱溫45℃，進樣量為5 μL。

1.6 質譜條件

利用Q Exactive質譜儀（Thermo Fisher Scientific，USA）進行一級、二級質譜數據采集。質譜掃描質核比范圍為70—1 050，一級分辨率為70 000，AGC為3e6，最大注入時間為100 ms。按照母離子強度，選擇Top3進行碎裂，采集二級信息，二級分辨率為17 500，AGC為1e5，最大注入時間為50 ms，碎裂能量設置為20、40、60 eV。

離子源參數設置：鞘氣流速為40 L·min-1，輔助氣流速為10 arb，噴霧電壓正離子模式為3 800 V，負離子模式為3 200 V，離子傳輸管溫度為320℃，輔助氣加熱溫度為350℃。

1.7 數據分析

采用LC-MS/MS技術進行非靶向代謝組學分析，使用 Compound Discoverer 3.0（Thermo Fisher Scientific，USA）軟件進行 LC-MS/MS數據處理，完成峰提取、峰對齊和化合物鑒定。利用代謝組信息分析流程進行數據預處理、統計分析及代謝物分類注釋和功能注釋。通過主成分分析（PCA）對檢測到的代謝物的原始數據進行降維，以此分析該數據集中所觀測變量的分組、趨勢（樣本組內和組間相似性和差異性）及離群值（是否存在異常樣本）。使用偏最小二乘法-判別分析（partial least squares-discriminant analysis，PLS-DA）分析模型前兩個主成分的VIP值，結合單變量分析獲得的差異變化倍數（fold change，FC）和T檢驗（Student’sttest）的結果來篩選差異代謝物。

差異代謝物篩選條件：PLS-DA模型前兩個主成分的 VIP≥1；FC≥1.2或≤0.83；q-value＜0.05。篩選得到的所有代謝物的 VIP值均＞1，表明該變量對樣本類別的區分有顯著作用；FC為該差異代謝物在兩組中的平均含量的比值，本研究中的 FC為處理組平均含量/對照組平均含量。對數據進行 T檢驗得到P-value，P-value進行錯誤發現率（false discovery rate，FDR）校正得到q-value。

篩選出氟氯苯氰菊酯處理組與對照組之間差異代謝物，并根據差異代謝物中性質量數以及化學式等信息篩選處理組間的共同差異代謝物。

基于 HMDB人類代謝組學數據庫（The Human Metabolome Database）和KEGG京都基因與基因組百科全書，對差異代謝物進行分類注釋。根據差異代謝物的富集情況確定差異代謝物代謝通路。

2 結果

2.1 樣本總離子流圖

如圖 1，BPC（基峰離子流圖）是將每個時間點質譜圖中最強的離子連續描繪得到的圖譜，將處理組與對照組總離子流圖進行重疊，譜圖重疊良好，保留時間和峰響應強度均波動小，表明儀器在整個樣本檢測分析過程中狀態良好，信號穩定，數據可信，可進行下一步分析。

2.2 主成分分析（PCA）

不同劑量氟氯苯氰菊酯處理組與對照組 PCA分析得分圖如圖2所示，圖中每個點代表一個樣本，點與點的距離代表樣本之間的相似性，橢圓為95%的置信區間。由圖2可知，對照組與低劑量組樣本分布在PC2的上下兩側，對照組與中劑量組樣本主要分布在PC1左右兩側，對照組與高劑量組樣本主要分布在PC2的上下兩側，說明對照組與氟氯苯氰菊酯處理組存在組間差異。

2.3 偏最小二乘判別分析（PLS-DA）

處理組與對照組之間的PLS-DA 得分圖見圖3。從第一主成分看，處理組分布在負軸位置，對照組主要分布正軸位置；從第二主成分看，處理組主要分布在負軸位置上，對照組主要分布于正負軸兩側。表明處理組與對照組的代謝物分離較好，處理組的每個樣品的代謝物均與對照組有明顯差異。

2.4 PLS-DA分析模型響應排序檢驗

PLS-DA模型的響應排序檢驗圖驗證結果如圖4所示。結果表明，對照組與試驗組代謝物R2和Q2均＞0.5且其比值接近 1，說明 PLS-DA 模型能夠較好地預測處理組與試驗組代謝物的差異。Q2回歸線始終在R2的下方，且Q2回歸線的斜率較大，其與縱坐標的交點均在負半軸，說明模型質量較好，沒有出現過于擬合的狀況，結果穩定可靠。

2.5 差異代謝物鑒定

利用代謝物的分子質量和二級質譜信息在KEGG、HMDB數據庫搜索比對，0.5 mg·kg-1組與對照組相比，共有差異代謝物190種，共鑒定87種；5 mg·kg-1組與對照組相比，共有差異代謝物275種，共鑒定97種；50 mg·kg-1組與對照組相比，共有差異代謝物275種，共鑒定131種（表1）。從鑒定的差異代謝物中篩選到29種共同的差異代謝物（表2），其中16種代謝物上調，12種代謝物下調，而1種代謝物在 50 mg·kg-1組和 0.5 mg·kg-1組中均下調，在 5 mg·kg-1組中表達上調。差異代謝物包括甲苯、核糖、氨基酸及其類似物、脂肪酸及其偶聯物、嘌呤及其衍生物等。

表1 差異代謝物及鑒定結果Table 1 Differential metabolites and identification results

表2 對照組與氟氯苯氰菊酯處理組之間差異代謝物Table 2 Differential metabolites between the control group and flumethrin-treated groups

將共同差異代謝物進行富集分析，最終確定到氨基糖與核糖代謝、藥物代謝-其他酶類代謝、α-亞麻酸代謝、其他代謝途徑4條代謝通路（表3），其中尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺、硫唑嘌呤、反玉米素表達上調，其對應的氨基糖與核糖代謝和藥物代謝-其他酶類代謝等代謝通路加強；甲苯、愈傷酸、9-羥基壬酸表達下調，α-亞麻酸代謝通路減弱；氫過氧化亞油酸在50 mg·kg-1組和0.5 mg·kg-1組表達下調，在5 mg·kg-1組中表達上調，因此氫過氧化亞油酸在50 mg·kg-1組和0.5 mg·kg-1組中代謝通路減弱，在 5 mg·kg-1組中代謝通路加強。

表3 差異代謝物聚集的代謝通路Table 3 Metabolic pathways of differential metabolite aggregation

3 討論

氟氯苯氰菊酯作為第二代擬除蟲菊酯類殺蟲、殺螨劑，已被廣泛應用到養蜂生產中，用于殺死蜂群中的螨蟲。然而，氟氯苯氰菊酯在殺螨蟲的過程中，對非靶標生物——蜜蜂也產生一定的危害，甚至污染蜂產品以及蜜蜂的食物，間接地影響著蜜蜂的健康[3-6]。本研究利用代謝組學的方法，探究了亞致死劑量的氟氯苯氰菊酯對西方蜜蜂工蜂幼蟲代謝物的影響。研究發現 LC-MS技術能夠分析蜜蜂幼蟲的代謝物，譜圖重疊良好；主成分分析和偏最小二乘判別顯示各組平行樣聚在一起，與對照組分開，說明氟氯苯氰菊酯影響著蜜蜂幼蟲的代謝。圖2-C中對照組樣品中有一個未落在95%的置信區間內，可能是由于樣品衍生化過程中的試驗誤差。PLS-DA分析模型顯示結果穩定可靠。經過對代謝物進行檢測發現，隨著氟氯苯氰菊酯濃度的增加，差異代謝物也明顯增加，鑒定到的差異代謝物也逐漸增加，說明氟氯苯氰菊酯濃度越高，對蜜蜂幼蟲代謝影響越大。根據氟氯苯氰菊酯處理組與對照組之間差異代謝物的分子質量和二級質譜信息，篩選到 29種氟氯苯氰菊酯處理組與對照組間共同的差異代謝物，其中，尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺、硫唑嘌呤、愈傷酸、9-羥基壬酸、氫過氧化亞油酸等代謝物變化較為明顯，可能是由于氟氯苯氰菊酯對蜜蜂幼蟲體內這些物質富集的代謝通路影響較大，表現為差異代謝物含量異常。

尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺是蜜蜂脂多糖合成的重要前體。蜜蜂翅翼由雙層體壁組成，每層體壁含有多層幾丁質[13]。而在昆蟲中，幾丁質的合成對于其生長發育至關重要。蜜蜂幼蟲生長發育到一定時期就要脫去舊表皮的束縛，軀體才會顯著長大[14]。幾丁質合成酶利用尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺合成幾丁質[15]，經氟氯苯氰菊酯處理，造成尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺合成系統紊亂，幾丁質合成異常，蜜蜂蛻皮羽化過程失調，因而蜜蜂出現殘翅現象，這從另一方面解釋了牛新月[5]的研究結果中蜜蜂出現的殘翅現象。

硫唑嘌呤與還原性谷胱甘肽反應最終轉變為硫唑嘌呤活性代謝物6-硫鳥嘌呤核苷酸，其整合到細胞，影響DNA的復制及RNA的表達而發揮免疫抑制作用[16]。硫唑嘌呤在50 mg·kg-1組中的FC值高達22.9131，而0.5 mg·kg-1組僅為12.1241，表明隨著氟氯苯氰菊酯劑量增加，硫唑嘌呤相對含量顯著增加，具有明顯的劑量依賴性。HERNANDEZ等[17]研究表明，谷胱甘肽S-轉移酶（GST）是昆蟲降解氟氯苯氰菊酯等殺螨劑的一種機制，亞致死劑量的氟氯苯氰菊酯會使得GST基因表達上調。除此之外，蜜蜂代謝氟氯苯氰菊酯引起硫唑嘌呤表達上調，硫唑嘌呤代謝需要大量的還原性谷胱甘肽參與反應，引起還原性谷胱甘肽表達上調，這從另一方面解釋了蜜蜂的解毒機制。

愈傷酸、9-羥基壬酸為卵磷脂的代謝產物，有研究表明，卵磷脂有分解油脂、清除過氧化物的作用[18]。在蜜蜂體內，卵磷脂代謝為愈傷酸和9-羥基壬酸受到多種酶的調節，其中一個酶是過氧化物裂解酶（hydroperoxide lyase，HPL），HPL屬于細胞色素P450（CYP450）類蛋白質家族中的一種[19]。CYP450在外來化合物，如農藥、環境污染物和致癌物質的新陳代謝中起著至關重要的作用[20]。此外，CYP450在維生素代謝、不飽和脂肪酸的氧化和膽固醇的生物合成中起主要作用[21]。CYP450酶可以通過受體依賴機制被各種外源物質和內源底物轉錄激活[20]。藥物在蜜蜂體內通過兩個步驟：經CYP450酶的氧化還原反應及水解，再經GST的乙酰化、甲基化反應或毒物及其代謝物與內源性物質結合，加速毒物代謝或外排[22]。CYP450酶系具有降低過氧化水平的作用，而 9-羥基壬酸是脂肪酸過氧化的主要產物之一[23]。9-羥基壬酸是脂肪酸代謝產生的主要醛類物質，口服9-羥基壬酸可顯著提高脂質過氧化水平，同時顯著降低大鼠肝臟中脂肪的生成[24]。50 mg·kg-1組9-羥基壬酸FC值僅為 0.098，表明對照組 9-羥基壬酸的相對含量是 50 mg·kg-1組的 10倍。并且隨著劑量的增加，FC值明顯下降，表明 9-羥基壬酸和愈傷酸具有明顯的劑量依賴性。而氟氯苯氰菊酯處理會使 9-羥基壬酸和愈傷酸含量下降，這可能是GST和CYP450酶共同作用的結果。

亞油酸是蜜蜂體內極為重要的不飽和脂肪酸之一，當蜜蜂缺乏亞油酸時，會出現蛻皮困難、發育不良、生長緩慢等癥狀[25]。亞油酸在脂肪氧合酶和CYP450的作用下容易被氧化[26]，在脂肪氧合酶作用下，亞油酸主要形成氫過氧化十八碳二烯酸，而在CYP450作用下，亞油酸則經環氧化形成環氧化物[27]。GST是蜜蜂體內極為重要的解毒酶之一，其可以催化谷胱甘肽和有毒化合物的軛合，增加其水溶性，降低產物毒性，同時還能緩解氟氯苯氰菊酯等殺螨劑導致的氧化應激并減少脂質過氧化物的產生[28]。有研究表明，谷胱甘肽能抑制亞油酸的氧化[29]。除此之外，谷胱甘肽過氧化物酶可以分解機體產生的異常過氧化物，可催化還原型谷胱甘肽轉化為氧化型谷胱甘肽，將毒性過氧化物轉化為羥基化合物，以保護細胞膜免受氧化應激損傷[30]。而氫過氧化亞油酸是亞油酸過氧化的產物之一，氫過氧化亞油酸相對含量表明了氟氯苯氰菊酯對蜜蜂的氧化應激水平。氫過氧化亞油酸在0.5、50 mg·kg-1組的 FC 值分別為 0.4183、0.5253，但是5 mg·kg-1組FC值高達4.7824，表明氫過氧化亞油酸在低、高劑量組相對含量遠低于對照組，中劑量組相對含量遠高于對照組，可能是谷胱甘肽在發揮作用，阻止了亞油酸氧化，從而造成3組間氫過氧化亞油酸含量存在差異。氫過氧化亞油酸在不同劑量氟氯苯氰菊酯處理組中的相對含量與氧化型谷胱甘肽相對含量的趨勢相似，這一結果表明谷胱甘肽在緩解脂質氧化應激中的作用，進一步表明在蜜蜂體內氟氯苯氰菊酯引起的氧化應激可能主要是由還原性谷胱甘肽參與消除的。

4 結論

運用液相色譜-質譜聯用技術對氟氯苯氰菊酯處理后的蜜蜂工蜂幼蟲的差異代謝物進行分析，篩選到29種對照組與處理組間共同的差異代謝物，其中有7種差異代謝物顯著聚集于氨基糖和核苷酸糖代謝、藥物代謝-其他酶類、α-亞麻酸代謝等途徑，對這些結果進一步分析發現氟氯苯氰菊酯對蜜蜂幼蟲的健康存在一定的威脅，研究結果可為進一步闡釋蜜蜂的解毒機制提供參考。