昆蟲(chóng)內(nèi)共生菌研究進(jìn)展

趙志宏，趙晨晨，梁 林

（1.河南省商丘市農(nóng)業(yè)局，河南商丘476000；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430070；3.西南大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，重慶400716）

昆蟲(chóng)是自然界中最大的生物類(lèi)群，已經(jīng)鑒定的種類(lèi)超過(guò)100多萬(wàn)種，占地球上動(dòng)物類(lèi)群的75%以上。它們之中除了少數(shù)有害種類(lèi)以外，大部分種類(lèi)都在為地球生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)做著重要的貢獻(xiàn)。在食用（飼用、食用、藥用）、環(huán)境治理、工業(yè)資源、觀賞、土壤改良等方面發(fā)揮著極其重要的作用。研究表明，昆蟲(chóng)在實(shí)現(xiàn)以上功能時(shí)都有體內(nèi)的微生物的參與。

昆蟲(chóng)體內(nèi)含有各種共生微生物，這些微生物在一般存在于昆蟲(chóng)腸道中、特殊的器官中或者細(xì)胞內(nèi)。這些微生物幾乎參與了宿主所有的生命活動(dòng)，一旦昆蟲(chóng)體內(nèi)感染共生菌，會(huì)產(chǎn)生新的生物學(xué)性狀，這些新的性狀在昆蟲(chóng)的適應(yīng)、進(jìn)化和多樣性方面發(fā)揮了巨大作用。一般來(lái)說(shuō)，共生菌與昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育繁殖息息相關(guān)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化，與昆蟲(chóng)形成了互利共生的關(guān)系。共生菌可為宿主提供必要的營(yíng)養(yǎng)，使其對(duì)環(huán)境耐受影響其交配、繁殖、代謝、免疫等功能，還可以介導(dǎo)解毒昆蟲(chóng)取食，增強(qiáng)宿主自身防御病原微生物、寄生物的能力，保護(hù)宿主逃避天敵，避免被寄生或捕食，甚至可以賦予宿主對(duì)殺蟲(chóng)劑產(chǎn)生抗性。共生菌與宿主的互利共生為昆蟲(chóng)的生存帶來(lái)便利，同時(shí)昆蟲(chóng)共生菌在開(kāi)發(fā)害蟲(chóng)新型生物防治、廢棄物生物降解和蟲(chóng)媒傳染病的阻斷控制手段中具有重要的應(yīng)用前景，還可以利用昆蟲(chóng)與共生菌的關(guān)系來(lái)進(jìn)行病蟲(chóng)害防控。

近年來(lái)，昆蟲(chóng)與共生菌的關(guān)系受到越來(lái)越多的關(guān)注，隨著高通量測(cè)序工具和分析軟件的發(fā)展，使得越來(lái)越多的共生菌功能被明確，這些都在為共生菌——宿主——植物的互作研究奠定基礎(chǔ)。本文簡(jiǎn)要概述了昆蟲(chóng)共生菌的研究進(jìn)展，重點(diǎn)圍繞昆蟲(chóng)共生菌的多樣性、生物學(xué)功能、與宿主互作機(jī)制，以及共生菌——昆蟲(chóng)——植物互作研究進(jìn)行綜述，并對(duì)未來(lái)研究提出展望。

1 昆蟲(chóng)共生菌

1.1 昆蟲(chóng)共生菌的起源、分布和種類(lèi)

內(nèi)共生菌是由一個(gè)自由的有機(jī)體演變而來(lái)，其結(jié)構(gòu)及功能與線粒體、葉綠體相似，與昆蟲(chóng)的共生關(guān)系可追溯到2～2.5億年前，在宿主昆蟲(chóng)體內(nèi)逐漸進(jìn)化成一個(gè)類(lèi)細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)，含有與宿主完全不同的核酸、蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，且不受宿主免疫系統(tǒng)的抵御，正是因?yàn)檫@種長(zhǎng)期的協(xié)同進(jìn)化過(guò)程，才最終形成了穩(wěn)定的、可遺傳的共生系統(tǒng)。

昆蟲(chóng)微生物一般存在于昆蟲(chóng)腸道、外骨骼、特殊的器官中或者細(xì)胞內(nèi)。尤其是在腸道內(nèi)研究較多，國(guó)外有學(xué)者已將腸道菌群當(dāng)作昆蟲(chóng)的一個(gè)特殊“多功能器官”，作為昆蟲(chóng)個(gè)體的重要組成部分。

共生菌主要包括酵母、真菌、細(xì)菌三大類(lèi)。主要分布在變形菌門(mén)γ 變形菌綱、α變形菌綱，腸桿菌科細(xì)菌，衣原體門(mén)的衣原體綱，擬桿菌門(mén)類(lèi)噬胞細(xì)菌，梭狀芽孢桿菌。根據(jù)其在寄主昆蟲(chóng)體內(nèi)的分布和與寄主的進(jìn)化關(guān)系可以劃分為兩類(lèi)：一是原生共生菌（primarysymbiont），指分布于特化的寄主昆蟲(chóng)細(xì)胞，含菌細(xì)胞（bacteriocyte）內(nèi)，與寄主協(xié)同進(jìn)化，垂直卵傳的共生細(xì)菌。一是昆蟲(chóng)只有一種原生共生細(xì)菌。二是次生共生細(xì)菌（secondsymbiont），是指不局限于含菌細(xì)胞，而且分布于寄主多種細(xì)胞內(nèi)，不僅可以垂直卵傳，還可以水平傳播的共生細(xì)菌，與共存的原生共生細(xì)菌相比，次生共生細(xì)菌和寄主昆蟲(chóng)的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系更加短暫、更加松散，反映出感染寄主昆蟲(chóng)的歷史較短，一種昆蟲(chóng)可以有多種次生共生菌。

1.2 昆蟲(chóng)共生菌的傳播方式

共生菌在昆蟲(chóng)體內(nèi)的傳播方式主要有垂直傳播和水平傳播。在蚜蟲(chóng)體內(nèi)局限于含菌細(xì)胞中的原生共生菌Buchner通過(guò)雌蚜的卵細(xì)胞或細(xì)胞質(zhì)垂直傳遞給后代；褐飛虱體內(nèi)共生菌利用肌動(dòng)纖維蛋白介導(dǎo)的卵巢傳遞方式傳遞給后代。而次生共生菌不僅可以通過(guò)受精卵或胚胎進(jìn)行垂直傳遞，還可通過(guò)個(gè)體間的相互接觸侵染甚至寄生性天敵的間接作用進(jìn)行水平傳遞。例如煙粉虱體內(nèi)的次級(jí)共生菌沃爾巴氏菌和蚜蟲(chóng)體內(nèi)的次級(jí)共生菌U型共生腸桿菌R.insecticola可通過(guò)寄生蜂的產(chǎn)卵管在不同個(gè)體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)染。考慮到次生共生菌其特殊的分布方式和感染概率低的事實(shí)，水平傳遞可能是其主要傳播途徑。

2 昆蟲(chóng)共生菌主要功能

2.1 昆蟲(chóng)共生菌的營(yíng)養(yǎng)和物質(zhì)代謝功能

很多昆蟲(chóng)都依賴(lài)共生菌提供飲食中缺乏的必需營(yíng)養(yǎng)，特別是取食木質(zhì)部或韌皮部的昆蟲(chóng)，共生菌可以消化纖維素，使得這類(lèi)昆蟲(chóng)在微生物的輔助下可以在不均衡營(yíng)養(yǎng)條件下存活。植物營(yíng)養(yǎng)供給在昆蟲(chóng)發(fā)育，尤其是早期階段作用顯著，這些共生體有助于生物合成必需氨基酸以及昆蟲(chóng)植物飲食缺乏的維生素。蚜蟲(chóng)中的Buchnemaphidicola為宿主提供植物汁液中缺少的必需氨基酸。采采蠅中的Wigglesworthiaglossinid可以合成宿主血液中缺乏的維生素B。在白蟻中，共生菌Nasutitermesspp在協(xié)助宿主消化纖維素中起著重要作用。螞蟻共生菌Blochmannia、蜚蠊共生菌Blattabacterium以及一些食木蟑螂共生菌Blattabacteriumcuenoti也起到了提供必需氨基酸的作用。

2.2 保護(hù)宿主免受病原菌侵害以及抵御天敵

昆蟲(chóng)共生菌對(duì)宿主免疫力有獨(dú)特的影響，高效的抗菌素系統(tǒng)能夠在和共棲的微生物群落互利的同時(shí)消滅病原體。果蠅Drosophilamelanogaste中腸道細(xì)菌的含量與果蠅發(fā)病率呈負(fù)相關(guān)。豌豆蚜蟲(chóng)（Acyrthosiphonpisum）體內(nèi)的垂直傳播的常見(jiàn)兼性共生菌Regiellainsecticola在宿主抵擋真菌病原體Pan dora，降低真菌的傳輸速度中發(fā)揮著重要作用，感染Regiella insecticola的豌豆蚜存活率大大增高。同樣的，感染了病毒的豌豆蚜可以大幅度降低天敵寄生蜂-蚜繭蜂（Aphidiuservi）的寄生率，提高豌豆蚜的適合度。

2.3 影響宿主交配行為并調(diào)控其生殖

果蠅中，通過(guò)控制果蠅取食，可以影響宿主體內(nèi)腸道共生菌的含量，進(jìn)而影響果蠅的交配選擇行為。屬于變形菌綱的Wolbachi在鞘翅目、雙翅目、半翅目、同翅目、膜翅目、鱗翅目、直翅目昆蟲(chóng)中分布廣泛，對(duì)昆蟲(chóng)的生殖影響顯著。主要包括：一是胞質(zhì)不親和（cytoplasmicincompatibility(CI)），這種現(xiàn)象在灰飛虱Laodelphax、粉斑螟Ephestiacautella、螨蟲(chóng)中常見(jiàn)；二是誘導(dǎo)雌性化（feminization），鱗翅目昆蟲(chóng)中，雌性的染色體為ZW或者ZO型，雄性為ZZ型，但是來(lái)自Wolbachi共生的ZZ個(gè)體在幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)過(guò)程中就死亡了；三是殺雄，多種昆蟲(chóng)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了殺雄性的Wolbachi，并普遍存在；四是增強(qiáng)雌性繁殖力和生殖力，在臭蟲(chóng)Clmexlectularius中，Wolbachi與宿主的互利共生關(guān)系直接影響宿主的生存，并顯著影響宿主的繁殖。利用Wolbachi的功能，可以將其作為載體，將某種特定基因在宿主種群中傳播，目的性的改造宿主種群的基因型，增強(qiáng)天敵的生物防治能力或害蟲(chóng)防治。

2.4 賦予昆蟲(chóng)殺蟲(chóng)劑抗性

昆蟲(chóng)殺蟲(chóng)劑抗性機(jī)制與共生菌的密切相關(guān)，昆蟲(chóng)利用體內(nèi)共生菌對(duì)殺蟲(chóng)劑產(chǎn)生抗性。敵百蟲(chóng)是高效低毒的有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑，防除重要害蟲(chóng)桔小實(shí)蠅Bactroceradorsalis效果良好，但是共生菌CitrobacterfreundiiBD（CF-BD）的協(xié)助下，可以對(duì)敵百蟲(chóng)進(jìn)行降解，導(dǎo)致桔小實(shí)蠅對(duì)敵百蟲(chóng)抗性增加。從土壤中獲取的共生細(xì)菌Burkholderia可以幫助椿象Riptortuspedestris抵御有機(jī)磷殺螟松，引起殺螟松退化。而且通過(guò)宿主昆蟲(chóng)與腸道細(xì)菌的免疫互作，也能使宿主對(duì)生物農(nóng)藥的抗性提高，通過(guò)對(duì)共生菌介導(dǎo)的抗藥性機(jī)制研究，有利于對(duì)昆蟲(chóng)進(jìn)行生物防治。

2.5 利用共生菌殺滅害蟲(chóng)

研究證明，利用共生菌Pantoeaagglomerans可以干擾蚊子中瘧疾的傳染源-瘧原蟲(chóng)Plasmodiumberghei的發(fā)育，使蚊子攜帶瘧原蟲(chóng)的比例下降84%，這極大降低了傳播瘧疾的概率，瘧疾是世界上最致命的傳染病之一，這些共生菌可以調(diào)控一些免疫基因的抗瘧原蟲(chóng)作用，轉(zhuǎn)基因共生菌可以作為對(duì)抗瘧疾的有利工具。 此外，也可以利用共生菌參與其他疾病的防控，利用四環(huán)素處理的麻翅庫(kù)蚊Culexbitaeniorhynchus可以使其容易感染日本腦炎，埃及伊蚊Aedesaegypti的共生菌被證明可以抑制登革熱病毒的感染。

3 共生菌調(diào)控昆蟲(chóng)與植物的互作關(guān)系

植物主要由一些很難消化的結(jié)構(gòu)化合物組成，例如纖維素和木質(zhì)素，它含有多種有毒化學(xué)物質(zhì)，昆蟲(chóng)不取食這些物質(zhì)，甚至對(duì)昆蟲(chóng)有害，這對(duì)食草昆蟲(chóng)是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。因此，鑒于此，植食性昆蟲(chóng)利用共生菌共同進(jìn)化已經(jīng)進(jìn)化出多種機(jī)制，使其幫助昆蟲(chóng)進(jìn)行植物細(xì)胞壁的降解，引起解毒作用，使宿主可在植物上取食。

盡管在昆蟲(chóng)中有許多的碳水解活動(dòng)，它們細(xì)胞溶解機(jī)制的能力很差，食木性昆蟲(chóng)中腸中的共生菌可以幫助宿主進(jìn)行纖維素分解。其中以白蟻共生菌研究最多，尤其是最近白蟻共生菌的宏基因組和全面的轉(zhuǎn)錄組分析產(chǎn)生大量的基因組信息，同時(shí)這些信息將更新白蟻的營(yíng)養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域。

共生菌可以協(xié)助宿主取食、消化與解毒，從而擴(kuò)大宿主取食譜。例如白蟻后腸共生菌可以協(xié)助白蟻消化植物細(xì)胞壁，螞蟻的共生真菌可以產(chǎn)生一種乳糖酶，它能協(xié)助工蟻調(diào)節(jié)植物的解毒作用，含有Pseudomonas,Rahnella或一些其他的腸道細(xì)菌的山松大小蠹Dendroctonusponderosae具有降解萜烯的遺傳能力，可以取食富含萜烯的樹(shù)木。實(shí)際上，現(xiàn)在植食性昆蟲(chóng)為了滿(mǎn)足自身的生長(zhǎng)發(fā)育以及繁殖，對(duì)植物的需求已經(jīng)發(fā)生了巨大變化。植物飲食中缺乏的一種重要營(yíng)養(yǎng)是可用的氮，少量的可利用營(yíng)養(yǎng)會(huì)對(duì)植食性昆蟲(chóng)的發(fā)育和適合度產(chǎn)生負(fù)面影響。為了克服這一障礙，大量昆蟲(chóng)在進(jìn)化過(guò)程中已經(jīng)形成了與營(yíng)養(yǎng)內(nèi)共生菌具有緊密聯(lián)系。對(duì)于專(zhuān)門(mén)在缺氮基質(zhì)上生存的昆蟲(chóng)而言，更是如此，原因是這些昆蟲(chóng)高度依賴(lài)于細(xì)胞內(nèi)的共生菌來(lái)提供其寄主食物中缺失的氮。

昆蟲(chóng)與其共生菌可通過(guò)改變植物寄主的防御機(jī)制和天敵的作用來(lái)影響自身趨性的轉(zhuǎn)變。在番茄木虱體內(nèi)，高濃度的共生菌與減少的番茄防御路徑表達(dá)相關(guān)。昆蟲(chóng)共生菌還可以通過(guò)改變植物的適合度來(lái)間接影響宿主的生殖能力，感染共生菌的紫云英蚜蟲(chóng)Megouracrassicauda和感染Regiella的豌豆蚜蟲(chóng)Pisumsativum在三葉草上的繁殖力大大提升。

內(nèi)共生菌能促進(jìn)植物病原微生物的傳播。許多嚴(yán)重植物病害都是由植物病毒引起的，共生菌感染昆蟲(chóng)后，可以提高植物病原微生物通過(guò)植食性昆蟲(chóng)的傳遞效率。在重要的經(jīng)濟(jì)害蟲(chóng)害蟲(chóng)煙粉虱是中bemisiatabaci，病毒粒子首先結(jié)合可循環(huán)的細(xì)菌伴侶GroEL分子，聚集在宿主唾液腺中，在昆蟲(chóng)取食時(shí)釋放至寄主植物內(nèi)，導(dǎo)致此病毒在粉虱種群間慢性感染，最終造成煙粉虱引起的田間病毒病流行和昆蟲(chóng)種群大爆發(fā)。

內(nèi)共生菌的介導(dǎo)可以促進(jìn)外來(lái)有害昆蟲(chóng)的入侵性。紅脂大小蠹Dendroctonusvalens的入侵對(duì)我國(guó)的松樹(shù)Pinustabuli formis造成了致命的傷害，共生菌在協(xié)助紅脂大小蠹的入侵過(guò)程中舉足輕重。含有共生菌的紅脂大小蠹可以和攜播的真菌Leptographiumprocerum在我國(guó)形成一個(gè)新的基因型，形成共生菌——紅脂大小蠹——真菌三者互惠模式，幫助紅脂大小蠹攻破松樹(shù)的防御。且這種基因型的紅脂大小蠹對(duì)寄主是致命性的，定殖成功后，還可以使宿主釋放更多引誘劑吸引更多的紅脂大小蠹。共生菌 Streptomyces，γ-Proteobacteria和Amylostereumareolatum在協(xié)助云杉藍(lán)樹(shù)蜂Sirexnoctilio獲取寄主云杉PiceaasperataMast的營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)而成功入侵美洲，澳大利亞，新西蘭等地中其作用顯著。

4 展望

昆蟲(chóng)共生菌已經(jīng)成為當(dāng)前昆蟲(chóng)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。早期昆蟲(chóng)腸道微生物的研究主要依賴(lài)于傳統(tǒng)的微生物分離培養(yǎng)和基于 16SrRNA基因的 PCR-DGGE、RFLP、16SrRNA探針及16SrRNA克隆文庫(kù)測(cè)序等。有些昆蟲(chóng)腸道微生物在體外培養(yǎng)較為困難，因傳統(tǒng)研究手段的限制，影響了這些未培養(yǎng)微生物的發(fā)現(xiàn)。而傳統(tǒng)的方法或簡(jiǎn)單及基于18SrDNA的序列簡(jiǎn)單放大不能有效的很快確定物種的種類(lèi)。下一代測(cè)序技術(shù)的日益增長(zhǎng)將大大促進(jìn)對(duì)昆蟲(chóng)相關(guān)微生物群落的分析，這無(wú)疑可以揭示大量未知的保護(hù)性共生生物的微生物群落。且隨著分子生物學(xué)、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的快速發(fā)展，越來(lái)越多有關(guān)共生菌文獻(xiàn)的發(fā)表，科研工作者可以利用各種手段不斷探索共生菌的種類(lèi)、功能和作用，進(jìn)而擴(kuò)展到與寄主昆蟲(chóng)的相互作用模型和分子機(jī)制，及共生菌之間的相互作用等。

其中內(nèi)共生菌在共生菌——害蟲(chóng)——植物相互作用模式和機(jī)制已逐漸吸引大家目光。防御性共生菌能夠增加寄主對(duì)天敵的防御力，可能會(huì)降低原有天敵的防治效力。另外，寄主植物的轉(zhuǎn)換或范圍的擴(kuò)大能夠改變昆蟲(chóng)的分布和擴(kuò)散，所以防御性共生菌，例如H．defensa，可能影響昆蟲(chóng)獲取新寄主或入侵到新的地理區(qū)域的能力。對(duì)于利用植食性昆蟲(chóng)防治雜草的生物防治案例而言，防御性共生菌可能會(huì)增加這類(lèi)植食性昆蟲(chóng)對(duì)天敵的防御力，有利于種群的建立和擴(kuò)張，提高生物防治的效力。因此，深入探究共生菌在植物——昆蟲(chóng)——共生菌3級(jí)營(yíng)養(yǎng)鏈的作用和影響機(jī)制具有非常重要的理論和實(shí)際意義。

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