進(jìn)化毒理學(xué)：生態(tài)毒理學(xué)研究的新視角

張智，王菊英，王新紅，穆景利,,*

1. 閩江學(xué)院海洋研究院，福州 350108 2. 國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，大連 116023 3. 廈門(mén)大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廈門(mén) 361102

隨著工業(yè)時(shí)代的到來(lái)，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，人類(lèi)活動(dòng)正以不可阻擋的趨勢(shì)加速全球環(huán)境變化[1]。為適應(yīng)環(huán)境變化，生物體被迫發(fā)生改變，如從物候?qū)W特征的進(jìn)化，到芳香烴的脫敏，從污染環(huán)境下DNA突變率的增加，到表觀(guān)遺傳效應(yīng)等。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的證據(jù)表明環(huán)境污染會(huì)對(duì)種群的遺傳變異產(chǎn)生直接或間接的影響[2]。通常，有毒物質(zhì)可以通過(guò)2種方式對(duì)生物體產(chǎn)生遺傳影響，體細(xì)胞效應(yīng)(somatic effect)和遺傳效應(yīng)(heritable effect)。前者是指暴露于污染環(huán)境中導(dǎo)致的體細(xì)胞突變，這些突變會(huì)在組織或器官中表達(dá)，但不會(huì)傳遞給下一代；而后者則是有毒物質(zhì)造成的可遺傳的胚胎細(xì)胞的突變[3-4]。組學(xué)技術(shù)的發(fā)展與整合，也為揭示生物對(duì)環(huán)境壓力的適應(yīng)機(jī)制與過(guò)程提供了有力工具[5-8]，指出環(huán)境污染是驅(qū)動(dòng)生物適應(yīng)性進(jìn)化的重要因素之一。近年來(lái)，基于環(huán)境污染條件下的生物快速進(jìn)化和同步進(jìn)化的研究案例[9-13]不斷被報(bào)道，如采礦廢水、核污染和海洋溢油等環(huán)境污染條件下的生物體進(jìn)化響應(yīng)相繼被野外與實(shí)驗(yàn)室研究所證實(shí)，進(jìn)化毒理學(xué)這一全新的研究視角不斷走入生態(tài)毒理學(xué)研究的各個(gè)方面，其理論與研究范疇也不斷被豐富與深化。

隨著氣候變化和環(huán)境污染問(wèn)題的日益加劇、分子生物學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展、進(jìn)化生物學(xué)理論的不斷更新，進(jìn)化毒理學(xué)這一交叉學(xué)科越來(lái)越受到關(guān)注。故此，本文梳理了有關(guān)進(jìn)化毒理學(xué)相關(guān)研究的理論發(fā)展，歸納總結(jié)了進(jìn)化毒理學(xué)的研究范疇和主要研究?jī)?nèi)容，并對(duì)這一新興交叉學(xué)科的研究提出了幾點(diǎn)展望，旨在為豐富生態(tài)毒理學(xué)研究提供理論支持，也為解決日益加劇的環(huán)境污染問(wèn)題提供新的研究思路與途徑。

1 進(jìn)化毒理學(xué)的定義和理論發(fā)展(Definition and theoretical development of evolutionary toxicology)

進(jìn)化毒理學(xué)是研究污染物對(duì)自然種群遺傳學(xué)特征影響的一門(mén)學(xué)科[14]。進(jìn)化毒理學(xué)研究運(yùn)用分子生物學(xué)和種群遺傳學(xué)的方法，以進(jìn)化生物學(xué)和保護(hù)遺傳學(xué)的理論和概念為基礎(chǔ)，試圖描述生物體如何適應(yīng)污染環(huán)境，探究生物體適應(yīng)環(huán)境的基本機(jī)制和原則，確定影響生物體進(jìn)化過(guò)程的環(huán)境污染物并量化其影響程度[3, 14]。

20世紀(jì)50年代，2個(gè)進(jìn)化生物學(xué)的經(jīng)典案例被報(bào)道：家蠅(Muscadomestica)對(duì)有機(jī)氯類(lèi)殺蟲(chóng)劑滴滴涕(dichlorodiphenyltrichloroethane， DDT)的耐藥性[15]和樺尺蠖(Bistonbetularia)的工業(yè)黑化現(xiàn)象[16]，即發(fā)現(xiàn)家蠅對(duì)殺蟲(chóng)劑逐漸產(chǎn)生耐藥性并證明這一耐藥性是可遺傳的，以及樺尺蠖為更好地?cái)M態(tài)于工業(yè)革命造成的變黑的樺樹(shù)表皮，發(fā)生淺色個(gè)體種群數(shù)量急劇下降并被深色個(gè)體種群所替代的種群動(dòng)態(tài)變化和生態(tài)適應(yīng)。20世紀(jì)60年代，工業(yè)黑化事件發(fā)生后，研究人員開(kāi)始關(guān)注重金屬污染對(duì)各生物類(lèi)群的毒性影響及其產(chǎn)生的耐受性問(wèn)題，但當(dāng)時(shí)無(wú)法確定重金屬耐受性是由于生理反應(yīng)還是遺傳適應(yīng)亦或是二者共同決定的[17]。隨著對(duì)環(huán)境污染認(rèn)識(shí)的深入，生態(tài)毒理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，有毒物質(zhì)能作為環(huán)境選擇壓力驅(qū)動(dòng)生物進(jìn)化[18-20]，由人類(lèi)活動(dòng)造成的環(huán)境污染也是一種選擇力量，可導(dǎo)致自然種群發(fā)生微進(jìn)化(micro-evolution)[8]。微進(jìn)化是指生物對(duì)持續(xù)或反復(fù)出現(xiàn)的壓力或脅迫產(chǎn)生了一定的耐受性，個(gè)體間的抗壓機(jī)制發(fā)生了遺傳變異，擁有變異基因的個(gè)體能有效地應(yīng)對(duì)和緩解環(huán)境壓力，降低脅迫的不利影響或具有快速修復(fù)損傷的能力，從而利于子代的存活與繁衍，且隨環(huán)境壓力的增加，這些有利于生存與繁衍的基因變異會(huì)相應(yīng)增加[8]。

種群中的“敏感個(gè)體”為應(yīng)對(duì)污染所產(chǎn)生的不利影響，會(huì)在生存策略、繁殖或行為上發(fā)生改變，這些改變可在不同世代間傳遞，這便是生物體進(jìn)化的一種表現(xiàn)。Bickham和Smolen[14]通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)多環(huán)芳烴對(duì)魚(yú)類(lèi)的暴露實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期暴露可引起種群跨世代的基因變異，首次提出了進(jìn)化毒理學(xué)這一概念。Bickham[3]將污染物驅(qū)動(dòng)的進(jìn)化結(jié)果歸納為：遺傳多樣性改變、生存相關(guān)位點(diǎn)上等位基因或基因型頻率改變、擴(kuò)散方式或基因流改變和DNA突變率提高等4個(gè)方面。

此后，越來(lái)越多的分子研究逐步闡明了生物體對(duì)某些有毒物質(zhì)耐受性的分子機(jī)制。例如，家蠅對(duì)DDT的耐受性是由于在Cyp6g1基因的啟動(dòng)子中插入了一個(gè)可移動(dòng)的原件，該基因的過(guò)表達(dá)可能使生物體快速代謝DDT[8]，從而產(chǎn)生耐受性。進(jìn)入21世紀(jì)，特別是近10年，組學(xué)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，進(jìn)化毒理學(xué)的研究?jī)?nèi)容不斷被豐富，污染脅迫與生物體基因型的改變及其潛在機(jī)制不斷被揭示，基于轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組等多組學(xué)分析推動(dòng)進(jìn)化毒理學(xué)研究進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代(表1)。

2 研究范疇與內(nèi)容(Scope and content)

污染物一般分為兩大類(lèi)：一類(lèi)直接作用于DNA，改變生物體DNA的完整性并產(chǎn)生后續(xù)不良影響的環(huán)境污染物，被稱(chēng)為基因毒物(genotoxicants)；另一類(lèi)則是不直接與DNA相互作用，被稱(chēng)為非基因毒物(non-genotoxicants)，此類(lèi)污染物一般會(huì)降低繁殖成功率、提高遺傳漂變，并驅(qū)動(dòng)基因組水平的遺傳多樣性的變化。進(jìn)化毒理學(xué)的研究主要包括以下內(nèi)容：暴露環(huán)境中污染物的賦存水平，暴露生物體內(nèi)的污染物的含量、富集及代謝程度，特異性生物標(biāo)志物的選取，種群遺傳效應(yīng)與結(jié)構(gòu)。Bickham[3]回顧了進(jìn)化毒理學(xué)的研究?jī)?nèi)容后提出了進(jìn)化毒理學(xué)的四大核心內(nèi)容(圖1)：基因組水平遺傳多樣性的改變；污染物驅(qū)動(dòng)下與生存相關(guān)的等位基因或基因型頻率的改變；擴(kuò)散方式或基因流的改變以及影響種群間遺傳結(jié)構(gòu)；突變率增加，導(dǎo)致等位基因或基因型頻率的改變。本文對(duì)近年來(lái)發(fā)表的相關(guān)研究文獻(xiàn)資料進(jìn)行整理，目前進(jìn)化毒理學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容包括污染物的耐受性與相關(guān)基因表達(dá)的研究，污染環(huán)境中種群水平的遺傳變異或遺傳多樣性的改變，基于系統(tǒng)發(fā)育分析的進(jìn)化毒理學(xué)研究，以及環(huán)境污染驅(qū)動(dòng)下的適應(yīng)性進(jìn)化與快速進(jìn)化等。接下來(lái)對(duì)以上內(nèi)容展開(kāi)介紹。

表1 進(jìn)化毒理學(xué)研究的理論發(fā)展過(guò)程Table 1 Development of evolutionary toxicology

圖1 進(jìn)化毒理學(xué)研究的四大核心內(nèi)容[3]Fig. 1 The four cornerstones of evolutionary toxicology[3]

2.1 污染物的耐受性與基因表達(dá)

正如前文DDT的耐藥性案例，實(shí)驗(yàn)毒理學(xué)早期階段科學(xué)家便開(kāi)展了對(duì)重金屬毒性和耐性的研究[15]。但當(dāng)時(shí)科學(xué)家僅關(guān)注到生物體的表型變化或?qū)ξ廴疚锂a(chǎn)生耐受性的現(xiàn)象，并未明確指出其機(jī)制。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，人們逐步意識(shí)到某些基因的改變，能夠使生物體適應(yīng)環(huán)境的變化，從而產(chǎn)生對(duì)不利環(huán)境的抵抗力。例如，具有較高光解酶活性的青蛙往往更能耐受紫外線(xiàn)輻射造成的影響[25]，而來(lái)自高紫外線(xiàn)環(huán)境的青蛙種群對(duì)紫外線(xiàn)的DNA損傷也具有更高的抵抗力[26]。這提示我們可以利用進(jìn)化的觀(guān)點(diǎn)來(lái)解釋生物體對(duì)環(huán)境污染的耐受性。目前，越來(lái)越多基因的功能在不同類(lèi)群生物中得到注釋和研究，這為進(jìn)化毒理學(xué)研究中對(duì)有毒物質(zhì)的耐受性的解釋提供了重要參考。

與有毒物質(zhì)耐受性相關(guān)基因在以下幾種污染物中有較為深入的研究。首先，殺蟲(chóng)劑耐受性實(shí)驗(yàn)證實(shí)了某些基因存在適應(yīng)性進(jìn)化使得蟲(chóng)體對(duì)殺蟲(chóng)劑的抵抗力逐步提高。Poynton等[27]對(duì)一種端足類(lèi)模式動(dòng)物鉤蝦(Hyalellaazteca)進(jìn)行測(cè)序、組裝和注釋?zhuān)ㄟ^(guò)對(duì)殺蟲(chóng)劑和其他新型污染物的暴露實(shí)驗(yàn)，標(biāo)注了涉及解毒、氧化應(yīng)激和毒物應(yīng)激反應(yīng)的主要基因家族。此外，相似的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有在相當(dāng)高濃度的殺蟲(chóng)劑環(huán)境中，耐藥組產(chǎn)生的氧化應(yīng)激反應(yīng)才能持續(xù)起到作用從而抵抗殺蟲(chóng)劑[28-29]。在黑鳳蝶(Papiliopolyxenes)種群中，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素P450基因亞家族的擴(kuò)增與殺蟲(chóng)劑中的呋喃香豆素(furancoumarin)耐受性密切相關(guān)[30]。第二類(lèi)研究報(bào)道較多的污染物是重金屬。金屬硫蛋白是一個(gè)功能多樣的大型蛋白家族，具有不同的金屬結(jié)合及氧化還原能力，這些與金屬結(jié)合以及運(yùn)輸基質(zhì)的改變可能使生物體進(jìn)化出對(duì)金屬的耐受性，金屬硫蛋白基因拷貝數(shù)的變異與重金屬耐受能力相關(guān)[31]。例如，自然界許多昆蟲(chóng)種群金屬硫蛋白的拷貝數(shù)變異極大，已被證明與重金屬毒性的耐受能力相關(guān)[32]；Maron等[33]發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)檸檬酸外流的基因拷貝數(shù)的增加有助于玉米增強(qiáng)對(duì)鋁離子的耐受能力；擬南芥通過(guò)調(diào)控金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和拷貝數(shù)的變異來(lái)適應(yīng)不同的重金屬污染環(huán)境[34-35]。最后，近年來(lái)頻發(fā)的海洋漏油事件以及其他新型污染物的不斷揭露，也讓研究者轉(zhuǎn)向更多與污染物耐受性相關(guān)的基因調(diào)控機(jī)制研究中來(lái)。例如Wirgin等[20]在暴露于多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyls, PCBs)中的大西洋小鱈(Microgadustomcod)的芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor,AHR)基因上發(fā)現(xiàn)一處堿基缺失，這一現(xiàn)象在其他種群都未見(jiàn)到，這被推測(cè)是其產(chǎn)生PCBs耐受性的基礎(chǔ)。這一研究也提供了受污染種群能夠產(chǎn)生快速進(jìn)化的直接證據(jù)。

2.2 遺傳變異和遺傳多樣性的改變

遺傳多樣性是保護(hù)生物學(xué)研究的核心之一，生物多樣性保護(hù)的關(guān)鍵就是保護(hù)物種的遺傳多樣性或進(jìn)化潛能，遺傳多樣性的喪失一般與物種滅絕的概率成正比[36]。遺傳變異是維持群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能多樣性的重要來(lái)源。當(dāng)一個(gè)種群最初暴露于污染環(huán)境之中時(shí)，種群數(shù)量通常會(huì)出現(xiàn)急劇下滑，這個(gè)過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致遺傳漂變以及遺傳變異的喪失。例如阿塞拜疆污染工業(yè)區(qū)的沼澤蛙(Ranaridibunda)種群的單倍型多樣性和核苷酸多樣性相比未遭污染種群顯著下降[37]。

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，基于不同分子標(biāo)記，如微衛(wèi)星(SSR)、DNA指紋圖譜、單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)(SNP)、簡(jiǎn)化基因組測(cè)序(RAD-seq)和全基因組測(cè)序等[4]，檢測(cè)污染物對(duì)種群遺傳學(xué)影響的研究逐漸增多，這為評(píng)估種群遺傳變異和種群動(dòng)態(tài)提供了技術(shù)上的支持。Laporte等[38]通過(guò)建立RAD-seq文庫(kù)對(duì)生活在不同污染環(huán)境中的歐洲鰻鱺(Anguillaanguilla)和美洲鰻鱺(A.rostrata)進(jìn)行篩選，觀(guān)察到由環(huán)境選擇引起的多處基因位點(diǎn)等位基因頻率的改變，表明將多基因位點(diǎn)選擇信號(hào)、遺傳變異與環(huán)境選擇因子結(jié)合起來(lái)，能夠共同分析基因組水平應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的選擇動(dòng)態(tài)。對(duì)切爾諾貝利地區(qū)50個(gè)世代的田鼠(Myodesglareolus)進(jìn)行了線(xiàn)粒體全基因組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期低劑量的輻射暴露可能會(huì)加速該物種的突變。環(huán)境改變?cè)斐傻倪x擇壓力也可以導(dǎo)致單一位點(diǎn)發(fā)生快速進(jìn)化，從而導(dǎo)致遺傳多樣性的改變[39-40]。

當(dāng)然也并非所有受污染種群的遺傳多樣性都是下降的，具體問(wèn)題還需具體分析，如種群的遷移、擴(kuò)散等都會(huì)導(dǎo)致多樣性增加[41]。另外，對(duì)于世代周期短、有效種群數(shù)量大的物種，其遺傳多樣性高，短期種群數(shù)量下降的遺傳后果會(huì)相對(duì)減弱。例如Piňeira等[42]對(duì)石油泄漏污染區(qū)域內(nèi)的薩克斯濱螺(Littorinasaxatilis)進(jìn)行了跟蹤研究，發(fā)現(xiàn)污染事故發(fā)生一年半后，該螺的整體遺傳多樣性較未受污染地區(qū)無(wú)顯著下降，推測(cè)該物種對(duì)短期污染造成的遺傳多樣性的喪失具有快速恢復(fù)能力。前文PCBs暴露實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)大西洋小鱈基于線(xiàn)粒體DNA控制區(qū)序列，發(fā)現(xiàn)受污染種群的單倍型數(shù)量和單倍型多樣性均高于其他未受污染種群，且分析種群歷史動(dòng)態(tài)可知種群規(guī)模與近期更新世冰期相一致，因此作者推斷由于污染物而發(fā)生的大規(guī)模死亡事件不一定會(huì)導(dǎo)致瓶頸效應(yīng)。受污染種群與對(duì)照組相比，共享單倍型也表明基因流并未受到影響[20]。以上研究也提供了新的進(jìn)化毒理學(xué)研究思路：基于中性分子標(biāo)記進(jìn)行遺傳多樣性、種群結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)發(fā)育分析以及種群歷史動(dòng)態(tài)分析，有助于我們更好地理解種群遺傳方面對(duì)環(huán)境污染的響應(yīng)及其潛在的進(jìn)化事件。

2.3 系統(tǒng)發(fā)生及其相關(guān)研究

系統(tǒng)發(fā)生(phylogeny)，亦可稱(chēng)系統(tǒng)發(fā)育，是指生物形成或進(jìn)化的歷史。系統(tǒng)發(fā)生學(xué)研究物種之間的進(jìn)化關(guān)系，其基本思想是比較物種的特征，認(rèn)為遺傳信息相似的物種在分類(lèi)學(xué)上更接近。系統(tǒng)發(fā)育分析和比較基因組學(xué)都是識(shí)別和確認(rèn)生物體分子層面響應(yīng)不利環(huán)境的有效工具。受試物種之間對(duì)化學(xué)物質(zhì)的敏感性的不一致直接反映在它們進(jìn)化(系統(tǒng)發(fā)育)上的差異之中[43]。系統(tǒng)發(fā)育分析應(yīng)用于生態(tài)毒理學(xué)研究最經(jīng)典的例子就是Hahn對(duì)AHR基因家族長(zhǎng)達(dá)20年的研究。Hahn[44]從脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物的分子研究出發(fā)，綜述了目前對(duì)動(dòng)物物種間AHR多樣性的認(rèn)識(shí)和AHR信號(hào)通路的演化過(guò)程。脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物的AHR基因可能有共同的祖先；而經(jīng)過(guò)多拷貝和多樣化，脊椎動(dòng)物的AHR基因又表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性，多個(gè)AHR家族基因的存在可能促進(jìn)了某些類(lèi)群特定AHR類(lèi)型的功能劃分[45]。

此外，Guénard等[46]利用系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)來(lái)估計(jì)物種在不同系統(tǒng)發(fā)育水平的耐受性，發(fā)現(xiàn)高達(dá)83%的物種間對(duì)污染物的耐受性符合一定的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)，這證明了近緣種在應(yīng)對(duì)相似的有毒物質(zhì)時(shí)具有相似的耐受性。Carew等[47]通過(guò)搖蚊類(lèi)和蜉蝣類(lèi)的系統(tǒng)發(fā)育比較研究，發(fā)現(xiàn)污染反應(yīng)具有較強(qiáng)的系統(tǒng)發(fā)育節(jié)點(diǎn)，即系統(tǒng)發(fā)育節(jié)點(diǎn)在物種間對(duì)環(huán)境污染物的耐受度或敏感度的區(qū)分普遍存在。以上研究也為未來(lái)污染物耐受性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了新思路，即通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育模型來(lái)估算物種耐受性。

2.4 適應(yīng)性進(jìn)化與快速進(jìn)化

環(huán)境的快速變化極大地改變了棲息地特征，并引入了新的壓力源。這些新的環(huán)境選擇壓力迫使生物體做出形態(tài)上、生理上或是基因上的適應(yīng)保證生存，而無(wú)法適應(yīng)的物種則從這些環(huán)境中滅絕。近年來(lái)進(jìn)化生物學(xué)家也拓寬了進(jìn)化的概念和研究領(lǐng)域，將關(guān)注的進(jìn)化時(shí)間尺度拉短，從過(guò)去往往預(yù)設(shè)進(jìn)化是緩慢發(fā)生的，到如今實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證進(jìn)化可能在幾個(gè)世代內(nèi)就能發(fā)生并對(duì)不同環(huán)境做出快速適應(yīng)，進(jìn)化可以在很短的時(shí)間尺度內(nèi)迅速發(fā)生并能夠反饋于生態(tài)特征[48]。這一觀(guān)點(diǎn)為生態(tài)毒理學(xué)研究引入進(jìn)化的觀(guān)點(diǎn)提供了重要的理論支撐，越來(lái)越多的研究開(kāi)始記錄自然種群對(duì)環(huán)境變化做出的快速反應(yīng)，這些適應(yīng)性反應(yīng)通過(guò)可塑性或自然選擇作用表現(xiàn)出來(lái)[49]。在生態(tài)進(jìn)化毒理學(xué)研究中也有越來(lái)越多的適應(yīng)性進(jìn)化報(bào)道。例如，Lee等[50]發(fā)現(xiàn)墨西哥灣漏油事件后受污染區(qū)域的真寬水蚤(Eurytemoraaffinis)對(duì)原油快速進(jìn)化出耐受性。同樣地，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將耐油實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)約8個(gè)世代，實(shí)驗(yàn)組種群對(duì)原油的耐受性遠(yuǎn)高于自然種群，這表明實(shí)驗(yàn)組已進(jìn)化出對(duì)原油的耐受性并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的遺傳。

青鳉(Oryziaslatipes)作為一種重要的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，對(duì)其抵抗不同化學(xué)污染物以及耐受性的產(chǎn)生和遺傳都有著較為系統(tǒng)的研究。青鳉對(duì)于類(lèi)二噁英化合物(dioxin-like compounds，DLCs)的毒性作用十分敏感。早期研究證明受污染種群較對(duì)照組對(duì)于DLCs的耐受性高3個(gè)數(shù)量級(jí)[51]，這種耐受性被證明是可遺傳的且在污染環(huán)境不同生物種群中存在著快速進(jìn)化現(xiàn)象。Reid等[13]對(duì)采自4個(gè)城市河口重度污染區(qū)的共384尾大西洋鳉魚(yú)(Fundulusheteroclitus)進(jìn)行了全基因組測(cè)序和比較轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)果顯示在污染水域生活的鳉魚(yú)某些特定基因均發(fā)生了突變，這些突變能夠阻斷如二噁英、多氯聯(lián)苯和重金屬等有毒化學(xué)物質(zhì)引起細(xì)胞死亡的信號(hào)通路。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)則專(zhuān)注于多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)污染下的快速進(jìn)化：長(zhǎng)期暴露于PAHs會(huì)導(dǎo)致生物體進(jìn)化出對(duì)PAHs的耐受性，同時(shí)降低其環(huán)境適應(yīng)能力，這可能與其對(duì)外界環(huán)境應(yīng)激源敏感性的增加有關(guān)。野生捕獲的抗PAHs子一代幼魚(yú)與無(wú)抗組相比，代謝需求發(fā)生了變化。這表明青鳉種群已經(jīng)適應(yīng)或進(jìn)化到能夠承受PAHs的毒性，因此改變了能量代謝或需求，這種后果可能導(dǎo)致耐PAHs的青鳉對(duì)其他環(huán)境和應(yīng)激源的脆弱性增強(qiáng)[52]。

3 研究展望(Research perspective)

盡管進(jìn)化毒理學(xué)這一概念自首次提出至今還不足30年的時(shí)間，但實(shí)際上以進(jìn)化的角度解決生態(tài)毒理學(xué)的諸多問(wèn)題已經(jīng)有較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐。特別是幾種“明星”污染物的耐受性研究，早已從野外調(diào)查，到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)機(jī)制研究，再將作用機(jī)理進(jìn)一步應(yīng)用于后續(xù)環(huán)境監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。以進(jìn)化生物學(xué)的視角和方法解決生態(tài)毒理學(xué)的諸多問(wèn)題，必定為日益加劇的環(huán)境問(wèn)題提供新的思路。進(jìn)化毒理學(xué)在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等科學(xué)評(píng)價(jià)管理，微進(jìn)化與適應(yīng)成本等進(jìn)化生物學(xué)重要問(wèn)題，組學(xué)方法加速生態(tài)毒理學(xué)與種群遺傳學(xué)的融合，以及生態(tài)進(jìn)化動(dòng)態(tài)理論下的毒理學(xué)與生態(tài)、進(jìn)化的相互作用關(guān)系等方面具有廣闊前景。

3.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

進(jìn)化毒理學(xué)對(duì)環(huán)境科學(xué)和管理有重要的影響，包括保護(hù)生物學(xué)、適合度成本的闡明、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和補(bǔ)救等。例如，越來(lái)越多的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)被制定，通過(guò)受污染生物體的生理、生化特征評(píng)估環(huán)境污染的影響，這便是一些生物作為環(huán)境指示種發(fā)揮的重要作用。然而，如果沒(méi)有考慮進(jìn)化生物學(xué)中的適合度降低、遺傳多樣性下降或其他未知后果，這些生物種群或群落的污染風(fēng)險(xiǎn)很可能會(huì)被低估[53]。因此，在未來(lái)環(huán)境影響評(píng)價(jià)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的具體實(shí)踐中，同樣應(yīng)從種群遺傳學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)的角度考慮環(huán)境變化對(duì)遺傳多樣性和適合度的影響。

此外，不同世代間的遺傳影響同樣需要加入評(píng)估的范疇。進(jìn)化毒理學(xué)將提高傳統(tǒng)生態(tài)毒理學(xué)忽視的對(duì)體細(xì)胞效應(yīng)和遺傳效應(yīng)的關(guān)注，填補(bǔ)傳統(tǒng)生物個(gè)體生態(tài)毒理實(shí)驗(yàn)與化學(xué)物質(zhì)對(duì)群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的影響評(píng)價(jià)之間的空白。進(jìn)化毒理學(xué)關(guān)注到多個(gè)世代的長(zhǎng)期進(jìn)化及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，可以作出更為長(zhǎng)久的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[3]。例如，利用種群生態(tài)學(xué)的方法，進(jìn)化毒理學(xué)可用于評(píng)估亞致死濃度條件下的跨世代(transgenerational)影響，以及評(píng)估暴露于污染物中的種群遺傳變異情況[54-55]。

3.2 微進(jìn)化與適應(yīng)成本

過(guò)去幾十年，越來(lái)越多的證據(jù)指出微進(jìn)化在種群水平對(duì)化學(xué)應(yīng)激源的長(zhǎng)期反應(yīng)中起到至關(guān)重要的作用[9]。能夠耐受環(huán)境脅迫基因型的自然選擇可能導(dǎo)致生物體種群水平產(chǎn)生可遺傳的適應(yīng)性進(jìn)化和抵抗力的增強(qiáng)，從而使生物體即使在相對(duì)較高濃度的污染物環(huán)境下也能存活(又被稱(chēng)為微進(jìn)化優(yōu)勢(shì))。例如，Zhang等[56]發(fā)現(xiàn)一種全新的跨代遺傳現(xiàn)象，在受到環(huán)境壓力脅迫時(shí)，生物體神經(jīng)元的線(xiàn)粒體應(yīng)激通過(guò)神經(jīng)到生殖腺的信號(hào)交流，誘導(dǎo)后代個(gè)體攜帶更高拷貝的線(xiàn)粒體DNA，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體激活線(xiàn)粒體未折疊蛋白反應(yīng)，使得后代具有更強(qiáng)的抗壓能力和更長(zhǎng)的壽命。但是，這種進(jìn)化優(yōu)勢(shì)通常也伴隨著遺傳多樣性降低并可能造成長(zhǎng)期的負(fù)面后果，如應(yīng)對(duì)環(huán)境再次變化的能力下降。當(dāng)壓力源被消除時(shí)，生物體適應(yīng)性也可能降低，甚至增加滅絕風(fēng)險(xiǎn)，即微進(jìn)化成本[9]。上述神經(jīng)元線(xiàn)粒體應(yīng)激調(diào)控的例子，盡管后代繼承了較高水平的線(xiàn)粒體DNA以及隨之產(chǎn)生的線(xiàn)粒體未折疊蛋白反應(yīng)使其具有更強(qiáng)的抗逆能力(包括耐熱、抗病原菌感染和抗急性線(xiàn)粒體損傷等)，但研究也發(fā)現(xiàn)作為代價(jià)，這些后代發(fā)育遲緩且生殖力降低[57]。即使一個(gè)種群能夠在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)應(yīng)激源，產(chǎn)生基因型的變異，但是在長(zhǎng)期看來(lái)，不良影響也可能發(fā)生，這被稱(chēng)為耐受成本或適應(yīng)成本[58-60]。此外，傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)和微進(jìn)化反應(yīng)之間也還缺乏定量比較的方法。因此在進(jìn)化毒理學(xué)未來(lái)的研究中仍有以下問(wèn)題亟待解決：何種濃度污染物造成的微進(jìn)化效應(yīng)可以被檢測(cè)到？這些濃度與生態(tài)毒理學(xué)上的閾值濃度相比有無(wú)一致性？

當(dāng)然，進(jìn)化也并非都是有利的，適應(yīng)新的環(huán)境壓力發(fā)生進(jìn)化勢(shì)必要付出一定的成本損耗[19]。因此，進(jìn)化毒理學(xué)另外一個(gè)關(guān)注點(diǎn)在于評(píng)估快速適應(yīng)新環(huán)境或惡劣環(huán)境條件的短期進(jìn)化(contemporary)所付出的適應(yīng)成本(fitness costs)。Dutilleul等[61]以秀麗線(xiàn)蟲(chóng)(Caenorhabditiselegans)為模式動(dòng)物，分別對(duì)其進(jìn)行鈾暴露、高鹽暴露或交替處理超過(guò)22個(gè)世代，結(jié)合同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)(common garden experiment)和交互移植實(shí)驗(yàn)(reciprocal-transplant experiments)，評(píng)估不同環(huán)境條件下秀麗線(xiàn)蟲(chóng)種群的進(jìn)化適應(yīng)成本。結(jié)果顯示，秀麗線(xiàn)蟲(chóng)一旦接觸到一種壓力源，適應(yīng)性進(jìn)化就會(huì)導(dǎo)致其適應(yīng)成本升高，相應(yīng)地也獲得了最基本的收益，即存活率的提高。在未來(lái)的研究中，特別是多種污染源同時(shí)作用的情況下，生物體對(duì)污染物的適應(yīng)策略也值得我們進(jìn)一步關(guān)注。

上述研究?jī)?nèi)容已經(jīng)提示我們可以通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育分析來(lái)追溯生物體對(duì)不同污染物的耐受性的進(jìn)化。進(jìn)化生物學(xué)理論能夠幫助我們區(qū)分細(xì)微反應(yīng)中的關(guān)鍵物種間差異，進(jìn)而揭示高毒性環(huán)境下的生存問(wèn)題[20, 62-63]。此外，對(duì)進(jìn)化歷史的關(guān)注，也可以為探究生命體對(duì)有害物質(zhì)快速適應(yīng)的本質(zhì)提供幫助。因此，未來(lái)可嘗試?yán)眠M(jìn)化的觀(guān)點(diǎn)識(shí)別對(duì)污染物特別敏感、抵抗或響應(yīng)的遺傳或生理機(jī)制。

3.3 組學(xué)時(shí)代下的進(jìn)化毒理學(xué)研究

過(guò)去30年間，進(jìn)化毒理學(xué)領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展，同時(shí)期分子生物學(xué)更是經(jīng)歷了跨越式發(fā)展，進(jìn)化毒理學(xué)也乘分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展的東風(fēng)，利用分子生物學(xué)方法和越來(lái)越多可獲取的基因組數(shù)據(jù)資源解決生態(tài)毒理學(xué)問(wèn)題。最初，傳統(tǒng)毒理學(xué)與分子生物學(xué)的結(jié)合，大多是關(guān)注污染物驅(qū)動(dòng)選擇的特定情況下的適應(yīng)性多態(tài)性表現(xiàn)與一些經(jīng)典的“解毒基因”，如細(xì)胞色素P450[64]、金屬硫蛋白[65]等。隨著組學(xué)數(shù)據(jù)的不斷完善，無(wú)需基于先前認(rèn)知而偏向目標(biāo)基因選擇的研究方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污染適應(yīng)的更加全面的認(rèn)識(shí)[62]?；蚪M幫助我們更好地理解適應(yīng)的機(jī)制以及種群水平的基因變異情況；轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組學(xué)則讓我們更好地了解了表型與基因型的聯(lián)系，并能更好地預(yù)測(cè)潛在的種群影響。

在未來(lái)，進(jìn)化毒理學(xué)研究應(yīng)該更好地利用各類(lèi)組學(xué)方法共同探究生態(tài)毒理學(xué)中的作用機(jī)制問(wèn)題，并將其應(yīng)用于實(shí)際的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。除了一些經(jīng)典的基因，與生活史相關(guān)或調(diào)控一些關(guān)鍵性狀的基因同樣應(yīng)該受到關(guān)注，利用基因組數(shù)據(jù)將有助于與進(jìn)化毒理學(xué)有關(guān)的靶位點(diǎn)的篩選并促進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法的多樣化。轉(zhuǎn)錄組對(duì)于篩選污染物生物活性及揭示特定的毒性作用機(jī)制也是至關(guān)重要的。例如，轉(zhuǎn)錄組反映的差異特征使其成為高特異性暴露指紋，能夠?qū)υ\斷環(huán)境問(wèn)題起到指示作用。在生理時(shí)間尺度上搜尋響應(yīng)的分子途徑可能是長(zhǎng)期暴露于污染物中自然選擇的目標(biāo)途徑，這些途徑中的序列變異等可能與物種內(nèi)和物種間應(yīng)對(duì)環(huán)境污染的敏感性的變化有關(guān)。此外，隨著二代測(cè)序的興起，環(huán)境DNA(environmental DNA, eDNA)逐漸成為熱門(mén)的生物多樣性監(jiān)測(cè)方法。利用eDNA擴(kuò)大潛在的生物研究范圍，有助于分析整個(gè)生物群落中豐度較低、瀕危或難以獲取標(biāo)本的生物的影響[66-68]?？傊?，進(jìn)化毒理學(xué)是一個(gè)多學(xué)科交叉、多方法匯聚和多應(yīng)用的領(lǐng)域，它將繼續(xù)發(fā)展，利用新技術(shù)來(lái)提高我們對(duì)生物種群應(yīng)對(duì)污染物而產(chǎn)生跨代際影響的理解，增強(qiáng)我們對(duì)環(huán)境和生態(tài)毒理學(xué)科學(xué)的預(yù)測(cè)能力。

3.4 生態(tài)進(jìn)化動(dòng)態(tài)與毒理學(xué)研究

生態(tài)進(jìn)化動(dòng)態(tài)(eco-evolutionary dynamics)是近年來(lái)進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域逐步提出的新觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為進(jìn)化可以短時(shí)間內(nèi)完成并與生態(tài)適應(yīng)相互作用[48]。進(jìn)化毒理學(xué)研究也需要將生態(tài)進(jìn)化動(dòng)態(tài)的觀(guān)點(diǎn)納入普遍研究中。據(jù)報(bào)道，殺蟲(chóng)劑的廣泛使用使得全球生態(tài)系統(tǒng)都已遭到殺蟲(chóng)劑的污染，因此有必要了解自然種群是如何應(yīng)對(duì)殺蟲(chóng)劑以及適應(yīng)性進(jìn)化對(duì)生態(tài)特征的相互作用。從進(jìn)化的角度看，農(nóng)藥的耐藥性可以通過(guò)2種機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)：多世代的選擇系耐藥；表型可塑性在單一世代內(nèi)誘導(dǎo)耐藥性的產(chǎn)生[60, 69-71]。相比之下，后者更可能對(duì)遠(yuǎn)離農(nóng)業(yè)、不經(jīng)常接觸殺蟲(chóng)劑的生物種群造成影響。雖然耐藥性的產(chǎn)生可以提高生物接觸農(nóng)藥的存活率，但這2種機(jī)制都可以改變生物體與其他群落內(nèi)成員的相互作用關(guān)系(如競(jìng)爭(zhēng)者、捕食者與被捕食者、寄生蟲(chóng)和宿主等)[69, 72-73]。因此，未來(lái)推進(jìn)生態(tài)毒理學(xué)的發(fā)展，不僅要考慮生物體對(duì)污染物的進(jìn)化反應(yīng)如何影響某些污染物或化學(xué)品的效用，同樣也需要考慮這些進(jìn)化反應(yīng)又是如何改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能等方面，即進(jìn)化對(duì)生態(tài)的反饋。

全球環(huán)境污染問(wèn)題的加劇，成為不同生物類(lèi)群進(jìn)化的重要驅(qū)動(dòng)因素之一，由污染引發(fā)的生態(tài)后果日益引起人們的重視。進(jìn)化毒理學(xué)主要關(guān)注生物體適應(yīng)環(huán)境的基本機(jī)制和原則以及污染環(huán)境對(duì)生物體適應(yīng)過(guò)程起到的重要作用，為后續(xù)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和污染環(huán)境的修復(fù)提供了新的視角和解決方案。將進(jìn)化生物學(xué)的觀(guān)點(diǎn)同生態(tài)毒理學(xué)研究緊密結(jié)合起來(lái)，不僅是生態(tài)毒理學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是全球環(huán)境變化下生物多樣性保護(hù)與環(huán)境管理的必然要求，更是生態(tài)恢復(fù)即環(huán)境重建的重要保障，是直接關(guān)系到人類(lèi)社會(huì)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的重大科學(xué)問(wèn)題[74]。以進(jìn)化生物學(xué)的視角和方法解決生態(tài)毒理學(xué)的諸多問(wèn)題，必定為日益加劇的環(huán)境問(wèn)題提供新的思路。

致謝：中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所俞丹副研究員和湖南師范大學(xué)沈中源博士對(duì)本文進(jìn)化生物學(xué)相關(guān)內(nèi)容提出了寶貴意見(jiàn)；閩江學(xué)院魏翔鶯教授對(duì)英文摘要進(jìn)行了潤(rùn)色，在此一并致謝！

通訊作者簡(jiǎn)介：穆景利(1979—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)毒理學(xué)。