吡虫啉（IMI）是一种广泛使用的新烟碱类杀虫剂，具有高效、广谱、内吸性强等特点，主要用于防治刺吸式口器害虫。但其对水生生态系统构成潜在风险，并对非靶标生物表现出视觉毒性。其视觉毒性的内在机制尚未完全阐明。
基于此，2025年12月1日，中国农业科学院植物保护研究所刘新刚研究员&张兰研究员研究团队在《Journal of Hazardous Materials》杂志发表了“Visual toxicity of imidacloprid in zebrafish: Unraveling the pathways from ocular morphology to behavior via phototransduction dysregulation”揭示了吡虫啉对斑马鱼的视觉毒性，解析光转导失调介导的毒性通路。
本研究让斑马鱼幼鱼在含有不同浓度IMI的水中生活4天或21天，发现它们的视觉行为一开始变弱，但时间一长反而变得过度活跃。更值得注意的是，IMI明显影响了鱼眼睛的正常发育：晶状体变小，视网膜结构也出现异常。OPL和IPL层变厚，而RPE层变薄。控制晶状体结构的基因刚开始表达减少，但长时间暴露后反而“反弹”升高。同时，IMI还打乱了鱼眼感知光线的关键过程，包括感光、信号传递和视觉色素的再生。这种先抑制后代偿的变化，导致斑马鱼幼鱼颜色偏好能力出现异常。
这项研究展示了IMI如何从结构到功能损害鱼类的视觉系统，为评估这类农药对水生生物甚至人类视觉健康的潜在风险提供了重要参考。
图一 暴露于IMI的斑马鱼幼鱼行为异常
本研究将斑马鱼胚胎暴露于环境中常见的吡虫啉（IMI）浓度（10、100、1000 µg/L）下4天或21天，发现其幼鱼在明暗交替环境中的运动行为明显异常。通过BLA（基础运动活动）和VMR（视觉运动反应）测试发现：
短期暴露（4天）：所有剂量组的幼鱼无论在光下还是黑暗中，活动都显著减少。游得更慢、移动距离更短、静止时间更长。
长期暴露（21天）：低、中浓度（10和100 µg/L）组反而变得过度活跃，而高浓度（1000 µg/L）组仍被抑制。
这种变化说明，IMI对行为的影响取决于暴露时间、剂量和发育阶段。
短期暴露可能因急性神经毒性导致“麻痹”样抑制；而长期暴露可能触发神经系统代偿或视网膜适应机制，造成反常活跃。但这并非健康表现，而是毒性反应的一种形式。也有研究认为，长期的慢性暴露可能降低幼鱼的“焦虑样”反应，使其更愿意探索环境。
特别值得注意的是，斑马鱼在孵化后约4–5天开始依赖外部食物，此时正常的运动和视觉行为对其觅食和生存至关重要。IMI引起的活动过低或过高都会干扰神经、感觉与运动系统的协调，从而削弱其摄食能力和野外生存机会。
简言之，即使环境中看似“低浓度”的吡虫啉，也可能通过干扰视觉和运动行为，对水生生物的关键发育阶段造成实质性危害（实验所用设备与分析软件均购自上海欣软）。
图二 转录组分析表明，IMI暴露影响视觉功能
转录组分析全面揭示了IMI对斑马鱼视觉系统的毒性机制。在暴露4天或21天后，差异表达的基因主要集中在视黄醇代谢、光转导、ABC转运蛋白和钙信号通路等与视觉功能密切相关的通路中。GO和GSEA分析进一步确认，这些基因涉及感光、晶状体发育、视觉感知和眼部结构组成等关键过程。
研究还通过蛋白质互作网络（PPI）发现，这些视觉相关基因之间存在紧密联系，说明IMI从分子层面干扰了整个视觉系统。
有趣的是，这种干扰具有时间依赖性：短期暴露（4天）：相关通路整体被抑制，对应行为上表现为活动减少；长期暴露（21天）：低中浓度（10–100 µg/L）下通路反而被激活，行为也变得活跃，可能反映了神经和视网膜的代偿或修复机制；而高浓度（1000 µg/L）仍持续抑制，说明损伤更严重、难以恢复。
这些结果表明，IMI不仅影响斑马鱼的行为，还通过调控视觉关键基因的表达，从根源上扰乱其视觉功能。尤其在幼鱼开始自主觅食的关键阶段，这种干扰可能严重影响其生存能力。
图三 IMI暴露后光转导功能紊乱
斑马鱼的视觉依赖于视网膜感光细胞中的“光转导级联”这是一个将光信号转化为神经电信号的关键过程，涉及视蛋白、转导素、磷酸二酯酶（PDE）、阻抑蛋白和多种调节因子。
本研究通过转录组分析，筛选出IMI暴露后在该通路中表达异常的基因并用RT-qPCR和蛋白印迹验证。
结果发现：暴露4天后，这些关键基因和蛋白普遍显著下调；暴露21天后则明显上调。这一变化趋势与行为测试结果高度一致，说明光转导通路的紊乱是IMI造成视觉毒性的核心机制。
具体来说：视蛋白作为“光感受器”，一旦表达异常会打乱整个信号链；转导素和PDE负责将光信号放大并转化为电信号；阻抑蛋白（如 arr3a）和调节因子（如 guca1e、rgs9bp）则控制信号何时关闭及持续多久。当这些环节被IMI干扰，就会导致光信号接收、转换和传递全面失常，最终向大脑发送错误的视觉信息，引发行为异常。长期来看，这种紊乱可能触发神经系统的代偿反应，表现为活动“反常增强”但这其实是毒性表现，而非适应。
总之，无论短期还是长期暴露，IMI都会系统性破坏斑马鱼幼鱼视网膜中的光转导级联，从分子层面解释了其视觉和行为异常的根源。
图四 IMI暴露后出现异常的色觉感知
视锥细胞视蛋白是斑马鱼感知颜色的核心，它们分别对蓝/紫光、绿光和红光敏感，使斑马鱼能分辨颜色并据此进行栖息地选择、社交互动和觅食等关键行为。
本研究发现，IMI暴露显著改变了这些视蛋白的表达，并在不同色光（蓝、紫、绿、红）下引发斑马鱼行为异常：包括移动距离、速度及静止时间的改变。具体而言，暴露4天后，所有处理组在各种色光下均表现出活动抑制；而暴露21天后，低、中浓度组反而活动增强，高浓度组仍被抑制。这一趋势与视蛋白及其他光转导通路关键因子（如转导素、磷酸二酯酶等）的表达变化高度一致，表明IMI并非只影响单一基因，而是系统性扰乱了整个视觉信号通路。
视蛋白功能受损会直接削弱斑马鱼对环境光信号的识别能力：红光感知异常影响背景判断，绿光障碍降低捕食效率，蓝/紫光失调则干扰导航与避敌反应。因此，IMI通过破坏色觉感知，可能严重损害斑马鱼执行关键生存行为的能力，对其生态适应构成潜在威胁，且这种毒性效应明显依赖于暴露时间和浓度。
图五 IMI暴露后斑马鱼视觉行为紊乱与晶状体结构、光转导及视黄醇代谢异常相关
研究人员通过相关分析发现，斑马鱼在明暗环境中的行为（如移动距离、静止时间）、晶状体大小、关键视觉蛋白以及视黄醇代谢物之间存在显著关联。这表明晶状体结构、光转导通路和视黄醇代谢共同调控视觉行为。
正常情况下，光线首先通过晶状体聚焦到视网膜，感光细胞中的视蛋白与11-顺式视黄醛结合形成视觉色素，捕获光信号并通过光转导级联将其转化为电信号，最终传至大脑形成视觉。这一过程可分为三个关键步骤：光输入 → 感光色素激活 → 光电转换。
本研究显示，IMI在这三个环节均造成干扰：损害晶状体发育，影响光线聚焦；抑制或异常激活视蛋白和相关信号分子；扰乱视黄醇代谢，减少关键感光物质的供应。
这种多层次破坏导致视网膜无法正常整合视觉信息，从而在BLA和VMR行为测试中表现出明显异常：短期抑制、长期反常活跃。这些变化不仅反映视觉功能受损，还可能削弱斑马鱼在自然环境中觅食、避敌和社交的能力，进而影响其生存与种群适应性。
图六 全文总结图
总结
本研究揭示了吡虫啉通过干扰晶状体发育、光转导和视黄醇代谢破坏斑马鱼视觉功能，导致行为异常。结果强调，即使环境相关浓度的长期暴露也可能损害水生生物的关键感官系统，对生态风险评估和农药管理具有重要启示。
https:///10.1016/j.jhazmat.2025.140693