昆蟲與其腸道菌群互作機理的研究進展及其在害蟲管理中的應用前景

石章紅，侯有明

(1. 閩臺作物有害生物生態防控國家重點實驗室，福州 350002；2. 福建農林大學植物保護學院，福州 350002)

昆蟲是目前已知種類數量最多、分布最為廣泛的生物類群，在生態系統中通常扮演關鍵角色，而且與人類的可持續發展密切相關。昆蟲的生態習性多變，不同的昆蟲種類食性有所特化。例如，有的取食動植物碎屑、腐爛的尸體、木頭及真菌、吸食動物血液，有的過濾取食水中動物和水草，有的為植食性，包括吸食汁液，有的捕食和寄生其它生物(彩萬志等, 2009)。從營養學的角度來看，昆蟲所主要依賴的這些食物很難滿足其正常生長發育的均衡營養需求。當前越來越多的證據表明，昆蟲與微生物之間的共生關系是昆蟲多樣性高和其進化成功的一個關鍵因素，這些微生物與宿主有著非常密切的聯系并廣泛參與宿主生活的多個方面(Engel and Moran, 2013; Douglas, 2015)。近十余年來，隨著高通量測序技術和組學分析技術等現代研究手段的快速發展和應用，對于昆蟲共生微生物的結構與功能的認知有了很大的發展。與人類相似，昆蟲的腸道中通常也棲居著細菌、古菌、病毒、真菌和一些原生生物等多種微生物，總稱為腸道微生物群，其中細菌是昆蟲腸道中最主要的微生物類群，而且腸道中棲息的細菌群落，常被統稱為腸道菌群(Lee and Brey, 2013)。本文主要概述了現階段關于昆蟲腸道菌群的組成、功能及其與宿主互作機理等方面的認識現狀，并在此基礎上對昆蟲耐受與調控其腸道菌群穩態的機理研究及其相關的應用前景進行了展望。

1 昆蟲腸道菌群的結構組成與功能

在當前的培養技術條件下，雖然自然界中絕大多數的微生物不可培養，但是隨著高通量測序技術和生物信息分析手段的發展和應用，當前對于昆蟲腸道菌群結構的組成已有相對清晰的了解和認識。昆蟲腸道內的常見細菌主要有變形菌Proteobacteria、擬桿菌Bacteroidetes、厚壁菌Firmicutes、放線菌Actinomycetes、螺旋體Spirochetes和疣微菌Verrucomicrobia等(Colmanetal., 2012; Yunetal., 2014; Muhammadetal., 2017)。在昆蟲從其周圍環境取食的過程中，食物中伴隨著的細菌群落隨之進入昆蟲腸道，其中的一些細菌種類能夠在昆蟲腸道中定殖，從而成為昆蟲腸道菌群的重要來源(Beharetal., 2008; Blumetal., 2013; Wongetal., 2015)。越來越多的研究證明，昆蟲腸道菌群對其宿主的眾多重要生理過程有重要影響(Engel and Moran, 2013)。例如，紅棕象甲RhynchophorusferrugineusOlivier是我國的一種毀滅性入侵害蟲，其腸道菌群主要由Enterobacteriaceae、Lactobacillaceae、Entomoplasma-taceae和Streptococcaceae等4個科細菌構成，其中存在大量能夠降解植物纖維素和淀粉等多糖物質的功能基因(Jiaetal., 2013; Muhammadetal., 2017)。研究發現，當該害蟲的腸道菌群被徹底清除或其組成結構被改變后，其營養代謝受到顯著影響，免疫防御功能也明顯降低，這說明腸道菌群在該害蟲的營養代謝和免疫防御等過程中扮演重要角色(Muhammadetal., 2017, 2019; Hebinezaetal., 2019)。黑腹果蠅Drosophilamelanogaster的腸道菌群結構相對比較簡單，通常由5～20種細菌所組成。無論是采自于野外還是來自于實驗室種群，黑腹果蠅的腸道中都定殖有Commensalibacterintestini，Acetobacterpororum，Gluconobactermorbifer，Lactobacillusplantarum和Lactobacillusbrevis這5種核心細菌，其中的兩種細菌A.pororum和L.plantarum始終存在于任何生活史階段黑腹果蠅的腸道中(Wongetal., 2011; Broderick and Lemaitre, 2012)。當腸道菌群缺失后，黑腹果蠅的化蛹時間延長、翅變小；研究證實，腸道菌群是通過調控胰島素信號通路來影響宿主的生長發育(Shinetal., 2011)；最新的研究發現，L.plantarum在黑腹果蠅腸道中代謝產生的乳酸(lactate)可以作為A.pororum一種額外的碳素營養來源，而后者為前者的生長提供一些必需氨基酸和維生素，兩者之間通過這樣的代謝互作來共同影響宿主的適合度(Consuegraetal., 2020)。更為有趣的是，Wong等(2018)發現腸道菌群能夠明顯影響黑腹果蠅的覓食決策行為使之更傾向于取食含有有益腸道細菌的食物，從而有利于昆蟲宿主與其腸道菌群共生關系的長期維持。眾所周知，蜜蜂是生態系統中一種非常重要的傳粉昆蟲。西方蜜蜂Apismellifera工蜂的腸道中主要分布有9種細菌，其中Snodgrassellaalvi、Gilliamellaapicola、LactobacillusFirm-4、Firm-5和Bifidobacterium等5種細菌存在于成年工蜂的腸道中并構成蜜蜂腸道的核心菌群(Engeletal., 2012)。蜜蜂的腸道菌群中不僅富含一些編碼降解花粉壁主要成分果膠糖的功能基因(Engeletal., 2012)，而且其代謝產生的一些短鏈脂肪酸等代謝物能夠促進宿主的生長發育(Zhengetal., 2017)。在橘小實蠅Bactroceradorsalis的相關研究中發現，腸道細菌Citrobactersp.能夠顯著提高該害蟲對有機磷殺蟲劑敵百蟲的抗藥性(Chengetal., 2017)，而且腸道菌群能夠通過調節宿主的營養代謝進而增強該害蟲的抗寒能力(Razaetal., 2020)。麗蠅蛹集金小蜂Nasoniavitripennis腸道中的稀有細菌種類Serratiamarcescens和Pseudomonasprotegens可以通過代謝除草劑莠去凈(atrazine)的方式提高該寄生蜂對該藥劑的抗性水平(Wangetal., 2020)。更為有趣的是，腸道細菌可以通過影響D.melanogaster性信息素-表皮碳氫化合物的組成進而影響其配偶選擇傾向(Sharonetal., 2010)，最近的研究還證實腸道菌群結構的改變能夠導致D.melanogaster產生類似兒童孤僻癥的社交行為障礙現象(Chenetal., 2019)?？傮w而言，腸道菌群不僅廣泛參與昆蟲的生長發育、營養代謝、抗藥性的產生、免疫防御與器官穩態維持、配偶選擇、逆境抗性和社會行為等眾多生理過程，并且通常具有重要的影響作用。

2 昆蟲維持腸道菌群穩態的重要性

動物的遺傳背景、飲食、發育狀態、生存環境和精神狀態等眾多因素都能夠影響其腸道菌群的組成(Davidetal., 2014; Yunetal., 2014; Bascunetal., 2018)。簡言之，動物腸道菌群的結構組成和數量可以隨著內外各種因素的波動而不斷變化。因此，腸道菌群穩態通常是指腸道菌群的結構組成與宿主健康之間的一種動態平衡狀態，通常從腸道細菌的數量和不同種類細菌的相對豐度這兩個角度來進行衡量(Ryuetal., 2008; Buchonetal., 2013)。雖然腸道菌群在宿主昆蟲的眾多生理活動中扮演關鍵角色，但是昆蟲的腸道菌群是由許多不同種類的細菌集合形成的一個復合動態群落，而且這些細菌對于昆蟲來說并不都是有益的。例如，假單胞菌屬細菌Pseudomonasspp.是地中海實蠅Ceratitiscapitata腸道菌群中組成豐度較小的一類細菌，而且這種腸道細菌的組成豐度被喂食提高后會明顯縮短該實蠅成蟲的壽命(Beharetal., 2008)。相似的是，在入侵害蟲紅棕象甲的腸道中分離獲得了一種名為S.marcescens的細菌(Muhammadetal., 2017)，但是該細菌對紅棕象甲具有很強的致死能力(Puetal., 2016; Muhammadetal., 2019)。上述結果說明不是所有的腸道細菌對宿主昆蟲來說都是朋友，其中有些腸道細菌是條件性致病菌(Leeetal., 2013; Kimetal., 2020)。此外，在黑腹果蠅的研究中發現，當其腸道菌群的組成結構被改變后，果蠅腸上皮細胞的凋亡水平顯著高于對照組，進而引發腸道疾病的發生和壽命的縮短(Ryuetal., 2008; Iatsenkoetal., 2018)。除草劑草甘膦(glyphosate)的暴露處理能夠明顯改變蜜蜂的腸道菌群結構，進而導致這些蜜蜂在病原細菌感染情況下的存活力顯著降低(Mottaetal., 2018)。上述案例說明腸道菌群穩態的變化能夠給宿主昆蟲帶來明顯的消極影響，比如導致昆蟲發育延緩、壽命縮短和慢性炎癥等疾病的產生(Kamadaetal., 2013; Guoetal., 2014; Muhammadetal., 2017, 2019; Iatsenkoetal., 2018)。由此可見，對于宿主昆蟲來說，如何維持一個健康的腸道菌群穩態至關重要。已有證據表明，取食、發育狀態和日齡等眾多因素都能夠影響到昆蟲腸道菌群穩態的維持。與其它病原細菌一樣，絕大多數腸道細菌在其新陳代謝的過程中都會釋放肽聚糖(peptidoglycan，PGN)和脂多糖(Chuetal., 2013)，而肽聚糖和脂多糖正是昆蟲識別“異己”進而激活其免疫系統的一類重要抗原物質(Royet and Dziarski, 2007; Leeetal., 2013)。因此，對于宿主昆蟲來說，如何有效地管理來自腸道菌群的這些抗原物質而避免腸道免疫的過度激活來維持健康的腸道菌群穩態是一個非常重要的挑戰。另外，一些非腸道細菌能夠隨著昆蟲取食而進入其腸道內，這時宿主昆蟲需要有一定的策略來清除這些非腸道細菌的同時還需要維持其健康的腸道菌群穩態。研究證實，宿主的腸上皮細胞有一種特殊的識別機制來區分腸道細菌和非腸道細菌。例如，黑腹果蠅的腸上皮細胞能夠通過識別非腸道細菌所代謝產生的特異性代謝物-尿嘧啶(uracil)從而特異地激活腸道免疫來清除非腸道細菌以維持穩態(Leeetal., 2013; Kimetal., 2020)。然而，這種機制是否普遍存在于其它昆蟲種類還不得而知，值得進一步深入探究。這種機制的解析有望為害蟲治理策略研發提供新的作用靶標和科學思路。

3 昆蟲耐受和調控腸道菌群相關機理的研究現狀

在一般情況下，腸道中有圍食膜(peritrophic matrix)和黏液層(mucus)這兩種物理屏障可以避免腸道細菌、腸腔內容物與腸上皮細胞的直接接觸從而在一定程度上促進宿主-腸道菌群共生體系的維持(Kuraishietal., 2011)。bigbang基因編碼一些含有PDZ(PSD-95, Discs-large, ZO-1)結構域的蛋白，這些蛋白發揮支架蛋白的功能，在黑腹果蠅腸道粘膜分隔連接(septate junctions)的形成中具有重要作用。當該基因被敲除后，黑腹果蠅腸道中的分隔連接變得松散，腸道微生物能夠穿透腸道粘膜而直接接觸腸上皮細胞并激活腸道免疫產生慢性炎癥反應，導致成蟲的壽命縮短(Bonnayetal., 2013)。由此可見，腸道中的圍食膜等物理屏障在昆蟲腸道菌群穩態的維持中通常發揮重要作用。此外，宿主的腸道免疫系統在宿主-腸道菌群共生體系的維持和調控、宿主對腸道細菌的反應等過程中扮演舉足輕重的角色(Chenetal., 2019; Xiaoetal., 2019)。例如，黑腹果蠅和按蚊Anophelesstephensi的腸上皮細胞能夠分泌產生活性氧(reactive oxygen species, ROS)(Oliveiraetal., 2011; Leeetal., 2013)和抗菌肽(Ryuetal., 2008)來調控腸道菌群的組成和數量。鑒于腸道菌群功能的重要性，腸道菌群被廣泛認為是多細胞動物體內的一個“超級器官(superorgan)”。因此，從長期的進化角度來看，宿主免疫系統和其腸道菌群之間應該是一種互利合作(cooperative)而非拮抗(antagonisitic)的關系。哺乳動物腸粘膜的慢性炎癥反應對宿主來說通常是有害的(Yaoetal., 2017)。在黑腹果蠅的相關研究中也發現了相似的現象，由腸道菌群結構組成的改變而導致的持續過度激活的腸道免疫反應對其本身也是不利的(Buchonetal., 2009; Liuetal., 2017)。因此，為維持一個健康的腸道菌群穩態，宿主的腸道免疫反應強度應該時刻處于一種非常精細的調控之中，從而使腸道保持適度的免疫活性在能夠清除非腸道細菌的同時耐受有益腸道細菌的存在。令人驚訝的是，最近的研究發現宿主和腸道細菌都能夠利用不同的策略來維持這樣的共生關系。例如，黑腹果蠅的腸道免疫反應受到多種負調控因子，如PIMS(Lhocineetal., 2008)、多胺(polyamines)(Makietal., 2017)、Bap180(Heetal., 2017) 和組蛋白甲基化酶KDM5(Chenetal., 2019)，在免疫系統的不同層級上精密調控從而避免腸道免疫的過激反應進而破壞健康的腸道菌群穩態；同時腸上皮細胞也能夠分泌產生降解腸腔內肽聚糖的酰胺酶活性PGRP-LB從而避免腸道免疫系統的過度激活(Paradesetal., 2011; Charrouxetal., 2018; Dawadietal., 2018)；更為有趣的是，我國科學家在埃及伊蚊Aedesaegypti的研究中發現腸道細菌可以利用宿主腸上皮細胞產生的C型凝集素(C-type lectin)作為“外衣”而“屏蔽”宿主抗菌肽對其的攻擊，從而能夠安然無恙地生活在蚊蟲的腸道中保持健康的腸道菌群穩態(Pangetal., 2016)。

4 腸道菌群研究在害蟲管理中的應用前景

自古以來，害蟲一直是嚴重影響農業生產安全、人類健康甚至國家安全的重要威脅因素。因此，如何高效、經濟且綠色地控制害蟲是現今科學界內的一個重要課題和挑戰。半個多世紀以來，施用化學殺蟲劑是害蟲防治實踐上的一種主要手段。化學殺蟲劑的廣泛使用雖然在一定程度上遏制了害蟲的暴發成災，但是卻導致了害蟲抗藥性的產生、農藥殘留和環境污染等諸多問題。這些問題的出現迫使人類去不斷研究開發經濟高效且對環境友好的害蟲管理新方法。在此背景條件下，生物防治、昆蟲不育技術和害蟲生態調控策略等害蟲管理新策略的集成研發和應用受到的重視越來越多，而且在害蟲防治上取得了一定的成績，但是還有很大的提升空間。近些年來，隨著昆蟲與其共生菌之間互作研究的深入，科學家們逐漸發現昆蟲共生菌在害蟲管理中具有很大的應用潛力，并在利用共生菌控制蟲害及其相關蟲媒病等方面取得了較好的進展。鑒于共生微生物在昆蟲眾多關鍵生理過程中的重要作用，有學者提出一種 “微生物資源管理(Microbial Resource Management, MRM)”的害蟲控制新策略(Jurkevitch, 2011; Crottietal., 2012)。例如，Wolbachia是一種廣泛存在于節肢動物的胞內共生細菌，以母系遺傳的方式進行垂直傳遞。在許多昆蟲體內，Wolbachia已被明確具有誘導胞質不親和、孤雌生殖、雌性化和殺雄等生殖調控作用，并能抑制蚊媒病毒和瘧原蟲的感染(Bianetal., 2005; Blagroveetal., 2012; Mainsetal., 2016)?；赪olbachia的昆蟲不相容技術(incompatible insect technique, IIT)是當前利用共生菌控制害蟲種群最成功的案例；相比昆蟲不育技術而言，IIT的優勢在于Wolbachia對雄蚊的交配競爭力和生存力基本沒有影響(Zhengetal., 2019)。腸道菌群是指生活在昆蟲腸腔內的細菌群落集合，它們與宿主互作的方式和機理與內共生菌有所不同。已有證據表明，昆蟲腸道中棲居的細菌對宿主并不都是有利，其中一些細菌是條件性致病菌。腸道細菌主要是通過其代謝物來調控宿主的適合度，而且這些代謝物大多數是具有多重生物活性的新天然產物(Martinezetal., 2017; 徐曉等，2018)。因此，加強昆蟲腸道菌群結構和功能的研究不僅可能發現一些新的生防天敵資源，而且也可能獲得一些具有重要生物活性的先導性化合物進而促進新型生物農藥的研發?；谖⑸锔走M行遺傳操作、擴大培養等優點，在昆蟲共生菌研究的基礎上衍生發展出了一種新的病蟲害防控策略-轉基因共生菌(Paratransgenesis)，即通過對昆蟲共生菌進行遺傳操作，使其作為基因表達載體對宿主產生轉基因效果，實現對害蟲和蟲媒病的防治(王四寶和曲爽，2017)。這項技術已經作為一種極具前景的防控手段用于治理蟲媒病的傳播。例如，通過遺傳改造手段使按蚊腸道細菌Pantoeaagglomerans和Serritiasp. AS1能夠利用大腸桿菌溶血素I型分泌系統表達產生SM1、Scorpine、(EPIP)4等多種抗瘧分子，然后經喂食將該轉基因細菌引入按蚊腸道后能夠明顯抑制瘧原蟲的發育。這一新策略為控制瘧疾等蚊媒病和植物蟲媒病的傳播提供了新的思路(Wangetal., 2012, 2017)。釋放不育雄蟲是當前生產實踐上防治實蠅類害蟲的一種常見重要措施。然而，經過射線輻照處理獲得的地中海實蠅C.capitata不育雄蟲在田間的交配競爭力明顯降低(Luxetal., 2002)；雄蟲腸道中Klebsiella屬細菌的豐度明顯降低，而條件性致病菌Pseudomonas的豐度顯著增加；當喂食K.oxytoca后，不育雄蟲的交配競爭力明顯增強(Amietal., 2010)。這些研究充分地說明通過人為調控害蟲腸道菌群的手段來防治病蟲害是切實可行的。然而，該理念更多地還只是在實驗室內被驗證，在生產實踐上應用成功的案例鳳毛麟角。究其原因，影響該策略成功與否的關鍵因素是如何使遺傳改造后的腸道細菌在害蟲腸道內高效定殖并與宿主和諧共存且能在自然種群中擴散。

縱觀當前關于昆蟲腸道菌群的相關研究報道，不難發現這些報道更多地聚焦于昆蟲腸道菌群結構的解析及其對宿主的生理貢獻。對于昆蟲宿主如何調控和維持其健康的腸道菌群穩態這方面的科學問題研究關注相對很少，而且非常有限的相關報道也是主要來自于模式昆蟲黑腹果蠅、岡比亞按蚊Anophelesgambiae和埃及伊蚊等。眾所周知，昆蟲種類繁多、生態習性千差萬別。因此，來自于模式昆蟲的相關研究報道很難泛化到一些重要的農林害蟲。目前，雖然已發現許多重要的農林害蟲如小菜蛾Plutellaxylostella(Xiaetal., 2017, 2018)、Spodopteralittoralis(Chenetal., 2016)和紅脂大小蠹Dendroctonusvalens(Zhouetal., 2017; Chengetal., 2018)等都具有扮演重要生理角色的腸道菌群。然而，關于害蟲如何耐受腸道菌群并維持健康腸道菌群穩態的機理尚不知曉。來自模式昆蟲的研究證實，宿主的腸道免疫在其腸道菌群穩態的維持和調控過程中扮演關鍵角色(Ryuetal., 2008; Leeetal., 2013)。模式昆蟲中的這些重要發現在上述農林害蟲中是否保守存在還有待于進一步驗證。另外，在入侵害蟲紅棕象甲的研究中，發現RfPGRP-LB能降解肽聚糖而避免腸道免疫的過度激活來調控該害蟲的腸道菌群穩態；當被沉默后，紅棕象甲的腸道菌群穩態失衡(Dawadietal., 2018)。然而，腸道中的細菌感染信號如何由胞外傳遞至胞內并啟動這種分泌型PGRP合成的調控機理尚不清楚。此外，腸上皮細胞如何高效地區分腸道細菌和非腸道細菌是害蟲維持其腸道菌群穩態的重要前提，但是目前還沒有來自農林害蟲關于此問題的相關報道。和哺乳動物等模式生物類似，維持健康的腸道菌群穩態對于害蟲的正常生長發育至關重要。在害蟲抗藥性發生猖獗的當前，創新和發展靶向破壞害蟲與其腸道菌群共生關系體系的害蟲治理新策略具有重要的戰略價值。因此，深入地研究探索害蟲與其腸道菌群互作的分子機理不僅具有重要的科學價值，同時也具有深遠的實踐意義。