评价除草剂的隐藏风险评价除草剂的隐藏风险填补进化的空白填补进化的空白

罗伯特·布鲁克在俄亥俄州的农村长大,那里的农民依靠除草剂来保护农作物。现在,在哈佛大学罗兰研究所微生物科学项目的实验室里,他研究了农药是如何在几代人的时间里影响昆虫的。

“我们必须认识到,我们使用的杀虫剂和除草剂对我们的粮食安全至关重要,遵循害虫管理的最佳做法是生活中必不可少的一部分,”布鲁克说。“但现在我们开始了解微生物在健康中的作用,是时候仔细研究这些化合物不仅对细胞毒性的影响,而且对传粉者甚至我们自己的微生物群落的影响了。”

Researcher on roof with beehives. Robert Brucker(见图)研究了阿特拉津(一种常见的除草剂)对黄蜂肠道微生物的影响。由Robert Brucker/罗兰研究所提供

在他的最新研究中,发表在《细胞宿主与宿主》杂志上。Brucker研究了阿特拉津,一种毒性相对较低的常用除草剂,对生活在黄蜂肠道内的微生物的影响。研究表明,在接触低浓度阿特拉津的人群中,可能出现对多种农药的抗药性,微生物组促进了这种抗药性,并提供了对宿主动物从未接触过的其他农药的抗性。

这一发现对农药生物风险的评估具有重要意义。

所有动物的肠道微生物都能帮助消化,并影响许多其他功能,包括免疫和能量生产。但是,关于阿特拉津等外来生物制剂对肠道微生物群影响的实验进化研究还是一个新领域。Brucker和他的团队集中研究了Nasonia vitripennis的肠道,这种黄蜂通常被用作研究蜜蜂和其他昆虫的模型。

“我们选择了阿特拉津,因为它被广泛用于玉米作物,而且被认为对大多数动物是安全的:饮用水中最多允许含有3(百万分之3,即ppb)。我们做的第一件事是评估它是否对我们的黄蜂有毒——我们没有理由认为它会“在低剂量下”,布鲁克说。

研究小组将昆虫暴露在与传粉者在新喷洒农药的农田和溪流中遇到的相同浓度的莠去津(300磅/秒)。这种暴露改变了黄蜂的微生物群落多样性,导致了细菌种群的变化,这种变化持续了几代人——甚至在没有暴露于阿特拉津的后代中也是如此。

Brucker说:“最令人惊讶的是,一次暴露,即使在无毒水平,也足以引起微生物群落的遗传变化。”

阿特拉津暴露的黄蜂对除草剂草甘膦的耐受性也增强了,尽管它们从未接触过这种化合物。Brucker和他的同事们发现,即使在消除了暴露的风险之后,黄蜂微生物群的变化仍然持续了几代人,对这种昆虫分解除草剂和杀虫剂的能力产生了意想不到的影响。

Brucker指出:“农业科学家一直在努力避免农药抗性,所以这一发现很重要。”“当黄蜂只暴露于30 ppb的阿特拉津时,36代的效果是增加了抗性。”

研究人员发现,单次接触一种外来生物制剂就会对黄蜂的微生物群落产生持久的影响,随后,他们对一群野生蜜蜂进行了筛选。自20世纪50年代以来,野生蜜蜂和其他授粉昆虫一直面临着接触阿特拉津的风险。

Brucker说:“我从我家在俄亥俄州的农场收集蜜蜂,在那里遵循我们所有的害虫管理最佳实践有助于保持我们的家庭团结。”和大多数玉米田一样,该地区也喷洒了阿特拉津。蜜蜂的微生物群中有可以降解莠去津的细菌基因,也可能有其他的外来生物——这些基因与我们在实验室中观察到的黄蜂的基因几乎相同。”

这些基因只能来自于蜜蜂的肠道细菌,因为蜜蜂的基因组没有阿特拉津代谢基因。

目前还不清楚暴露带来的变化对传粉者和人类是否有负面影响。Brucker说,重要的是,几代人反复接触对微生物群落健康的影响是未知的。它们可能涉及宿主行为、代谢应激、免疫能力和宿主微生物群调节。因此,虽然在标准化风险评估中还没有考虑微生物群,但这种情况可能会改变。

Brucker说:“每个人都强烈希望保护我们的传粉物种,所以我们可能需要注意我们在作物管理中使用的外来生物。”“我们需要更好地理解多代接触,并在未来将宿主-微生物群落的相互作用作为生物风险评估的一部分,特别是考虑到全球范围内对人类、植物、动物、真菌和细菌越来越多的外源性接触。”

在Brucker和他的团队提出将微生物组研究纳入生物风险评估的具体建议之前,他们还有几年的实验工作要做。研究人员的另一个方向是利用他们对Nasonia肠道细菌的新认识,为蜜蜂开发益生菌,以减少多药接触风险。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/02/evaluating-hidden-risks-of-herbicides-over-multiple-generations/

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