《Aquatic Toxicology》：Transgenerational epigenetic inheritance in
Daphnia magna exposed to polyethylene microplastic fragments containing benzophenone-3 additive
编辑推荐：
微塑料污染通过表观遗传机制跨代传递，本研究在Daphnia magna中证实单代暴露导致四代持续低甲基化，涉及细胞粘附、心血管相关通路，揭示长期生态风险，挑战现行风险评估框架。
宋珍英|金敏洙|尼克·努尔希达尤·尼克·穆特|李在成|郑镇浩
韩国毒理学研究所（KIT）生态毒理学与环境未来研究中心，金珠，52834，大韩民国
摘要
微塑料（MP）污染已成为一种普遍存在的环境威胁，但其长期跨代影响仍知之甚少。本研究探讨了大型溞在接触含有苯酚酮-3（MP/BP-3）的聚乙烯微塑料碎片后的跨代表观遗传继承现象。实验观察了四代（F0–F3），其中仅F0代直接暴露于MP/BP-3。F0–F1代的种群增长率显著下降，随后F2–F3代有所恢复。全基因组亚硫酸盐测序显示，F0、F1、F2和F3代分别有492、357、351和681个基因发生差异甲基化。值得注意的是，有六个基因在四代中都保持低甲基化状态，包括PAPSS1、ELP1、PRPL20和IAPS5，这些基因编码的蛋白质参与解毒、发育、细胞应激和细胞黏附过程。GO和KEGG通路分析一致表明，“细胞黏附”和心血管相关通路在所有代中都得到富集，提示存在持续的心脏功能障碍倾向。这些发现表明，单代微塑料暴露会形成持久的分子特征，并传递给未暴露的后代，从根本上挑战了现有的环境风险评估框架。
引言
全球塑料产量已达到前所未有的水平，2021年达到4.138亿吨（PlasticsEurope，2024年）。环境因素导致积累的塑料垃圾分解成微塑料（MP；直径小于5毫米）颗粒（Geyer等人，2017年）。环境监测数据显示，MP在淡水系统中广泛存在。Lasee等人（2017年）报告称，美国德克萨斯州湖泊环境中的MP平均浓度为1.56毫克/升，湿地系统为5.51毫克/升。MP在水生生态系统中的普遍存在引发了对其对水生生物生态影响的严重担忧。水生生物会摄入MP（Chen等人，2022年；Jeong等人，2022年），并导致肠道损伤（An等人，2021年）、氧化应激（Na等人，2021年）和行为改变（Song等人，2021年）等不良后果。除了直接的毒理学效应外，新的证据表明，MP暴露可能引发长期影响，这些影响会跨越多个世代，这挑战了仅关注直接暴露效应的传统风险评估方法（Martin和Guilhermino，2018年）。环境诱导的表观遗传变化能否跨代传递并影响生态进化过程引起了科学界的极大兴趣，尽管在生态系统中的实证证据仍然有限且存在争议（Feiner等人，2022年）。
水生生物中的跨代效应机制涉及表观遗传继承，即基因表达的可遗传变化，这种变化通过有丝分裂和/或减数分裂传递，而DNA序列本身不变（Harris等人，2012年；Grossniklaus等人，2013年）。表观遗传机制，如DNA甲基化、组蛋白修饰和RNA干扰，被认为在跨代效应中起关键作用（Harris等人，2012年；Brander等人，2017年；Yu等人，2021年；Lee等人，2022年）。DNA甲基化是一种表观遗传继承机制，指的是将甲基（CH3）转移到胞嘧啶核苷酸的碳5位置，形成5-甲基胞嘧啶（5mC）（Hawes等人，2018年）。先前的研究表明，暴露于MP的母代（F0代）所建立的DNA甲基化模式可以传递给未暴露的后代（F3代）（Jeremias等人，2018年；Trijau等人，2018年；Yu等人，2021年；Feiner等人，2022年）。例如，Jeremias等人（2018年）让大型溞（F0代）暴露于盐度胁迫下，发现低甲基化模式在连续三代未暴露的F1、F2和F3代中得以维持。这些低甲基化的基因编码的蛋白质在DNA损伤修复、细胞骨架组织和蛋白质合成中起关键作用。此外，Yu等人（2021年）发现，当仅F0代暴露于聚苯乙烯纳米球（100纳米）时，F3代中秀丽隐杆线虫的生殖腺臂中生殖细胞死亡数量减少。
尽管越来越多的证据表明环境污染物（包括MP）具有跨代效应，但关于具体参与跨代反应的基因和生物途径仍存在关键知识空白（Wade等人，2025年）。许多声称展示“跨代效应”的研究实际上观察的是暴露代而非真正未暴露代的情况，这造成了概念上的混淆，阻碍了我们对真正跨代继承机制的理解（Heard和Martienssen，2014年）。此外，跨代表观遗传继承的适应性或适应性本质仍存在争议，一些研究表明特征变异增加但并未带来明显的适应性益处（Shahmohamadloo等人，2025年）。理解这些跨代表观遗传机制对于准确评估MP污染的生态风险至关重要，因为当前的监管框架主要考虑直接暴露效应，可能会系统性地低估塑料污染的真正生态成本。
在这项研究中，选择大型溞作为实验对象，因为它世代时间短、对毒素敏感度高，并且在生态毒理学研究中应用广泛，用于研究含有苯酚酮-3添加剂的聚乙烯微塑料（MP/BP-3）的跨代继承现象。为了确定DNA甲基化是否能够传递给未暴露的F3代，仅F0代的大型溞暴露于MP/BP-3 21天，而后续代（F1、F2和F3）则维持在清洁培养基中。我们评估了暴露于MP/BP-3的大型溞
研究片段
大型溞培养
本研究中使用的大型溞最初由德国北莱茵-威斯特法伦州环境局（LANUV）提供，并由韩国国家环境研究所（NIER）引入，自2019年起在我们的实验室中进行培养。溞类在NEOEnBiz公司的NDI 100培养箱中培养，光照周期为16:8小时，温度为20°C（OECD，2012年）。每20天更换一次培养基，每个培养瓶中包含2升M4培养基（Elendt，1990年）。
微塑料的特性
了解微塑料的形态和大小分布对于理解其环境归趋和生物相互作用至关重要，因为这些特性直接影响水生生物的摄入率和毒性。具有环境真实性的颗粒特性对于准确的生态毒理学评估至关重要（Hartmann等人，2019年）。图2a展示了MP/BP-3片段的扫描电子显微镜（SEM）图像，这些颗粒具有典型的不规则形态。
结论
本研究提供了有力证据，证明单次母代微塑料暴露会引发跨代表观遗传继承。MP/BP-3片段在四代中持续诱导六个基因（包括PAPSS1、ELP1、PRPL20和IAPS5）的低甲基化，这些基因参与应激反应，可能使F3代表现出表型恢复。值得注意的是，IAPS5基因在F0–F3代中始终与细胞黏附分子和心肌病相关通路相关。
资助
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府提供支持（NRF-2019R1A2C1002890和NRF-RS202400335682）。
CRediT作者贡献声明
宋珍英：数据管理、方法学、数据分析、可视化、撰写——初稿。金敏洙：数据管理、方法学、数据分析。尼克·努尔希达尤·尼克·穆特：数据分析、撰写——初稿。李在成：概念构思、监督、撰写——审阅与编辑。郑镇浩：概念构思、资金获取、监督、撰写——审阅与编辑。
CRediT作者贡献声明
宋珍英：撰写——初稿、可视化、方法学、数据分析。金敏洙：方法学、数据分析。尼克·努尔希达尤·尼克·穆特：撰写——初稿、数据分析。李在成：撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。郑镇浩：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。
