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Temporal Dynamics of Copper-Based Nanopesticide Transfer and Subsequent Modulation of the Interplay Between Host and Microbiota Across Trophic Levels

营养水平 叶圈 生物 食物链 寄主(生物学) 肠道菌群 微生物群 毛虫 生物放大 食物网 蛋白质细菌 植物 食品科学 生态学 细菌 生殖器鳞翅目 生物化学 生物信息学 遗传学 16S核糖体RNA
作者
Xuchen Yan,Jason C. White,Erkai He,Willie J.G.M. Peijnenburg,Peng Zhang,Hao Qiu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c06047
摘要

During agricultural production, significant quantities of copper-based nanopesticides (CBNPs) may be released into terrestrial ecosystems through foliar spraying, thereby posing a potential risk of biological transmission via food chains. Consequently, we investigated the trophic transfer of two commonly available commercial CBNPs, Reap2000 (RP) and HolyCu (HC), in a plant-caterpillar terrestrial food chain and evaluated impacts on host microbiota. Upon foliar exposure (with 4 rounds of spraying, totaling 6.0 mg CBNPs per plant), leaf Cu accumulation levels were 726 ± 180 and 571 ± 121 mg kg–1 for RP and HC, respectively. HC exhibited less penetration through the cuticle compared to RP (RP: 55.5%; HC: 32.8%), possibly due to size exclusion limitations. While caterpillars accumulated higher amounts of RP, HC exhibited a slightly higher trophic transfer factor (TTF; RP: 0.69 ± 0.20; HC: 0.74 ± 0.17, p > 0.05) and was more likely to be transferred through the food chain. The application of RP promoted the dispersal of phyllosphere microbes and perturbed the original host intestinal microbiota, whereas the HC group was largely host-modulated (control: 65%; RP: 94%; HC: 34%). Integrating multiomics analyses and modeling approaches, we elucidated two pathways by which plants exert bottom-up control over caterpillar health. Beyond the direct transmission of phyllosphere microbes, the leaf microbiome recruited upon exposure to CBNPs further influenced the ingestion behavior and intestinal microbiota of caterpillars via altered leaf metabolites. Elevated Proteobacteria abundance benefited caterpillar growth with RP, while the reduction of Proteobacteria with HC increased the risk of lipid metabolism issues and gut disease. The recruited Bacteroidota in the RP phyllosphere proliferated more extensively into the caterpillar gut to enhance stress resistance. Overall, the gut microbes reshaped in RP caterpillars exerted a strong regulatory effect on host health. These findings expand our understanding of the dynamic transmission of host-microbiota interactions with foliar CBNPs exposure, and provide critical insight necessary to ensure the safety and sustainability of nanoenabled agricultural strategies.
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