镉(cadmium)是一种常见的污染重金属,被国际癌症研究会确认为第一致癌物。当人体摄入微量的镉,因其半衰期较长,镉可在如肾、肝、肺等多项器官及生殖系统、心血管系统、神经系统等中蓄积,从而干扰正常的生物功能。过度的金属胁迫将引发肺部炎症、癌症和心血管疾病等多种疾病。目前重金属镉对机体产生毒害作用的机制主要涉及其诱导ROS的产生,造成氧化损伤、干扰细胞内离子平衡,引起表观遗传变异等方面。黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)在生物科学中经常被用于遗传研究,并在过去的几十年,它已成为人类疾病和毒理学研究的最好的生物之一。黑腹果蝇和人类之间有广泛的保守基因和发育机制,在对果蝇和人类的基因组进行比较时发现,人体内引发人类疾病的基因(包括与癌症相关的基因)有三分之二都能在果蝇体内找到相似基因。本研究选用黑腹果蝇Canton-S品系作为实验材料,分别以0、13、26、52mg/L镉以不同处理方式(雌处理、雄处理、雌雄处理)胁迫F0代果蝇,F1代去胁迫,检测镉胁迫后F0代、F1代果蝇攀爬力、抗饥力、体重、羽化数及性别比的改变,以及F0代、F1代果蝇总抗氧化含量(T-AOC)及谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的活力变化,探讨重金属镉对果蝇生理特性及抗氧化能力方面的影响及其毒性效应。并在此基础上,提取果蝇基因组DNA,应用全基因组重亚硫酸盐甲基化测序法分析镉对黑腹果蝇全基因组DNA甲基化水平的影响。实验结果表明:(1)生理特性方面,不同浓度(0、13、26、52 mg/L)镉处理下F0代果蝇的攀爬力、抗饥力和体重均随着处理浓度的增加而显著降低(P<0.05)。相比对照组,镉处理显著降低了 F1代果蝇的攀爬力。镉处理组(13、26、52 mg/L)中,26 mg/L浓度镉处理后,雌处理组与雌雄处理组中Fi代雄果蝇的攀爬力显著上升(P<0.05),由此表明镉胁迫对黑腹果蝇攀爬力的影响至少可以延续到F1代;与对照组相比,雌处理组、雄处理组和雌雄处理组果蝇的抗饥力,均无显著差异性,表明镉胁迫对黑腹果蝇抗饥力的影响在F1代得到消除;雌处理组与雌雄处理组(26 mg/L)中,雄果蝇的体重显著上升(P<0.05),而雄处理组(26 mg/L)中,雌、雄果蝇的体重显著下降(P<0.05),表明镉胁迫对黑腹果蝇体重的影响可以延续到F1代;镉胁迫下,果蝇羽化率下降且具有浓度依赖性。综上表明镉胁迫可以降低果蝇的攀爬力、抗饥力、体重、羽化数,同时诱导果蝇雌雄性别比失衡。(2)抗氧化能力方面,镉胁迫诱导F0代果蝇的T-AOC活力显著下降(P<0.05),雌处理组(13、26mg/L)中,F1雌果蝇的T-AOC活力显著上升(P＜0.05),雄果蝇的T-AOC活力与对照组无显著差异,表明镉胁迫对黑腹果蝇的影响具有性别差异;F0代果蝇GSH-PX活力呈现先上升后下降的趋势,而F1代果蝇GSH-PX均下降,镉处理(13、26、52mg/L)后,雌雄处理组(52mg/L)中,雌、雄果蝇GSH-PX显著上升(P<0.05)。表明镉胁迫打破了黑腹果蝇抗氧化防御系统的平衡,导致抗氧化功能的下降。(3)全基因组DNA甲基化测序结果表明,黑腹果蝇基因组甲基化程度很低,为0.10-0.14%,镉胁迫雌性果蝇后,其全基因组平均甲基化程度有所下降。不同序列(CG,CHG,CHH)环境下的甲基化程度分析显示,黑腹果蝇在CHH序列环境中甲基化数量及比例最多,其次为CHH序列环境,CHG序列环境中水平最少。通过 tDMR 分析确定了 796 个 DMGs(Differentially methylated gene),其中238个上调,558个下调,对差异甲基化基因进行GO富集分析发现,DMGs分别涉及生物学过程、分子功能和细胞成分三方面。对DMGs进一步筛选,最后鉴定了 6个抗性相关的DMGs,分别为Cyp4d14、Cyp6u1、Cype、GstS1、GstT4、ABCB7,其分别属于细胞色素P450(CYP)、谷胱甘肽S转移酶(GST)、ATP-binding cassette(ABC)这三大参与昆虫解毒的超家族。本研究通过检测镉胁迫后果蝇攀爬力、抗饥力、体重、羽化数及性别比及相关抗氧化酶活性的改变,分析重金属镉对果蝇的相关生理特性及抗氧化能力的影响,进一步探讨重金属镉对果蝇的毒性效应和毒理机制,并应用全基因组重亚硫酸盐甲基化测序法,在全基因组水平上研究了镉胁迫下DNA甲基化水平及模式变化特征差异,为更深入探讨镉胁迫对黑腹果蝇的毒理效应及其作用机理提供实验依据,同时为进一步探究果蝇的全基因组DNA甲基化系统及环境因子诱导的表观遗传变异研究奠定实验基础。