昆蟲共生細菌研究進展

杜慧民，李文彬，劉潤進

(青島農業大學菌根生物技術研究所，青島 266109)

昆蟲與植物、真菌、放線菌、細菌及其他動物等經過長期共同進化，發展建立了多樣的共生關系(劉潤進和王琳，2018)。其中，體內定殖的有益微生物能改善宿主昆蟲營養代謝、防御天敵攻擊、增強抗逆性、影響昆蟲生長、發育、壽命和演化(Provorov & Onishchuk, 2018)。近年來，共生微生物的物種多樣性、昆蟲與微生物的種間關系、相互作用以及共生微生物的功能等研究取得了重要進展(楊義婷等，2014；黃旭等，2015；王四寶和曲爽，2017)。

林勇文和侯有明(2018)總結了昆蟲共生真菌(insect symbiotic fungi，ISF)的種類及其功能。然而，當前國內文獻中有關昆蟲共生微生物的概念、名稱和術語等比較零亂，存在使用不規范、不一致和不明確等問題。事實上，昆蟲不僅廣泛的與其他動物、植物和真菌等建立共生關系，而且還與細菌構建多種共生體系。凡是能與昆蟲構建共生關系的原生動物、真菌和細菌等，可統稱為昆蟲共生微生物(insect symbiotic microbes，ISM)。在探討具體ISM的科學問題時，有必要將其進一步區分為：昆蟲共生原生動物(insect symbiotic protozoa，ISP)、ISF和昆蟲共生細菌(insect symbiotic bacteria，ISB)。關于ISB研究進展國內外尚缺乏系統的論述。本文旨在討論昆蟲與ISB構建的共生體系特征、ISB的物種多樣性、昆蟲與細菌的共生機制、ISB的生理生態效應及其作用機制等，以期為促進該領域研究提供依據。

1 昆蟲與細菌構建的共生體系特征

1.1 昆蟲與細菌構建的共生體系

1.1.1植食性昆蟲與細菌的共生

植食性昆蟲以植物活體為食，依其口器、消化道構造與功能的不同，可分為以完整植物器官、組織為食和吸食汁液的兩大類。食葉甲蟲、白蟻、蚜蟲、蝗蟲、煙粉虱、葉蟬、粉蚧和木虱等蟲體內均定殖著大量細菌。食葉甲蟲Cassidarubiginosa前腸有兩個器官用于儲藏細菌Candidatusstammeracapleta，該細菌有果膠消化基因，甲蟲可從細菌分解物中獲得氨基酸和維生素等(Salemetal., 2017)。蚜蟲體內定殖著Buchneraaphidicola，該ISB為宿主提供必需氨基酸，蚜蟲則為該細菌提供生存場所和養分。粉虱、木虱和蚧等也與細菌構建互利共生體系。Buchnera在親代和子代之間母系垂直傳播，離開宿主不能獨立存活。Sulciamuelleri是與葉蟬、沫蟬和蠟蟬等專性內共生細菌(Urban & Cryan, 2012; Kogaetal., 2013)。腸道共生細菌能分解木質素及纖維素為白蟻提供部分養分，其中部分細菌可與腸道中定殖的原生動物形成內共生體系，從而構建成三重共生體(劉潤進等, 2014; 劉潤進和王琳, 2018)。海灰翅夜蛾Spodopteralittoralis腸道內定殖著蒙特氏腸球菌Enterococcusmundtii等ISB(Shaoetal., 2017)。煙粉虱Bemisiatabaci與Rickettisa屬的細菌可形成共生關系；褐飛虱Nilaparvatalugens體內的共生細菌有變形菌門、厚壁菌門、放線菌門和擬桿菌門共18個操作分類單元(OTUs)，包括殺雄菌Arsenophouussp.和沃爾巴克氏菌Wolbachiasp.等(范海偉, 2015)。麗蠅蛹集金小蜂Nasoniavitripennis體內定殖的能經卵傳播并具有殺死雄性后代能力的殺雄菌可與錐蝽、木虱、煙粉虱和蚜蟲等共生。柑橘木虱Diaphorinacitri和柑橘粉虱Dialeurodescitri可與Portierasp.、沃爾巴克氏菌、Cardiniumsp.和Rickettsiasp.形成共生體系(孫秀新等，2016)。

1.1.2衛生昆蟲與細菌的共生

衛生昆蟲是指嚴重危害人類健康、工作和生活的一類昆蟲，諸如家蠅、蚊子、蟑螂、臭蟲和蚤等,其體內定殖著眾多細菌。家蠅發育過程中，自卵末期、幼蟲期、蛹期至成蠅的腸道中定殖的多種ISB可能發揮重要作用。蟑螂脂肪體中共生的細菌可通過母體傳遞，最初集中在卵母細胞周圍，然后進入卵原生質內，這種互利共生是“遺傳”的。沒有這些ISB，蟑螂生長速率遲緩。臭蟲Cimexlectularius必須與沃爾巴克氏菌共生才能正常生長和繁殖。臭蟲精巢或卵巢周圍特殊細胞群的細胞內定殖著大量細菌，后者為前者提供必需的B族維生素，確保卵孵化和幼蟲生育為成蟲(Hosokawaetal., 2010)。蚊子的精巢和卵巢中定殖著沃爾巴克氏菌(崔春來等，2015)。可見，衛生昆蟲與細菌構建的共生體系是十分普遍和有效的。

1.1.3其他昆蟲與細菌的共生

一些天敵昆蟲、對人類有益或可利用的昆蟲也能與細菌構建共生體系。西方蜜蜂Apismellifera腸道共生細菌包括革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌；生殖組織中定殖著沃爾巴克氏菌，后者影響前者生殖和發育。西方蜜蜂腸道還定殖著大量的乳酸菌類群，這些ISB能增強宿主對病蟲害的抵抗力，參與宿主消化吸收花粉，協助“解毒”和影響生殖(Audisioetal., 2011)。蜂群個體間的孵育、梳理和食物交換等交流行為更有利于細菌傳播，形成了穩定的ISB群落結構(徐龍龍等，2013)。

1.2 昆蟲共生細菌的定殖部位

ISB可定殖于昆蟲體表、體腔、消化道、腸道、中腸、后腸、淋巴、脂肪體和其他器官組織的細胞內。甚至一些種類的昆蟲可形成專門供細菌共生定殖的儲菌器官，儲菌器的功能相當于人類肝臟，富含分解和加工食物的工具(Salemetal., 2017)。昆蟲形成的特化器官含菌體(bacteriomes)由多個含菌細胞(bacteriocytes)組成，通常是專性內共生細菌的定殖部位，經垂直傳播從母代遺傳至子代；而兼性內共生細菌的定殖部位多樣，大多定殖于昆蟲體表、體腔、腸腔、盲腸或分散于血淋巴中；褐飛虱體內的殺雄菌主要定殖于脂肪體細胞中。蜜蜂和熊蜂的消化道是共生細菌的主要聚集區。西方蜜蜂和熊蜂的蜜囊中均定殖有乳酸桿菌屬和雙岐桿菌屬的乳酸菌組成的ISB群落，而蜜囊也是乳酸桿菌和雙岐桿菌的主要聚集區(Olofsson & Vasquez, 2008)。

按照共生定殖部位，可將ISB分成外共生細菌和內共生細菌。前者指定殖于健康宿主昆蟲體表和細胞外的細菌，包括附著于昆蟲腸壁細胞和游離在腸腔的細菌。目前研究最多的外共生細菌是昆蟲腸道細菌群落；內共生細菌是定殖于昆蟲細胞內的細菌。例如，沃爾巴克氏菌是廣泛定殖于昆蟲細胞內的共生細菌。內共生細菌進一步可分為初生內共生細菌和次生內共生細菌，前者定殖于昆蟲的特定細胞中，與昆蟲幾乎同時發生，協同進化，垂直傳播；后者則以水平傳播、垂直傳播和其他傳播方式，使其可以在同種或不同種昆蟲間快速傳播擴散。也有人將初生內共生細菌和次生內共生細菌分別稱作專性內共生細菌(obligate endosymbiotic bacteria，OEB)和兼性內共生細菌(facultative endosymbiotic bacteria，FEB)。必需注意的是，宿主昆蟲發育過程中，一些共生細菌可由幼蟲的細胞內轉移至成蟲的細胞外，而且可從兼性到專性、從病原物到共生生物之間的轉換(Hosokawaetal., 2010)。因此，不能簡單地界定這類ISB，而應具體情況具體分析。

1.3 昆蟲共生細菌的物種多樣性

ISB種類繁多，具有較豐富的物種多樣性(表1)。同一種昆蟲不同個體或不同發育期定殖的ISB類群不盡相同。例如，家蠅的幼蟲、蛹和成蠅既有特有的也有共有的ISB屬,腸桿菌屬是成蠅特有的ISB屬之一，其所屬的腸桿菌科中的奧克西托克雷白桿菌、肺炎克雷伯菌、檸檬酸桿菌和陰溝腸桿菌在實蠅科的求偶和繁殖過程中發揮作用；發育階段不同腸道定殖的ISB屬的數量亦不同(Shietal., 2012; Wangetal., 2014)。幾乎所有蚜蟲均定殖布赫納氏屬Buchnera，該屬目前只有B.aphidicola1種，僅分布于蚜蟲類腹部血腔的特化含菌胞內。含菌細胞內不同ISB的分布和數量存在差異(Gatehouseetal., 2012; Bingetal., 2013)。

表1 昆蟲共生細菌的種類

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昆蟲類型Insect type昆蟲種類Insect species共生細菌屬或種Generus and species of symbiotic bacteria參考文獻References單食性灰飛虱Ommatidiotus dissimilisSulcia, Vidania, Sodalis, 沃爾巴克氏菌屬Wol-bachia, 立克次氏體屬RickettsiaMichalik et al., 2018沙漠蝗Schistocerca gregaria成團泛菌Pantoea agglomerans Dillon et al., 2000海灰翅夜蛾Spodoptera littoralis綠腸球菌Enterococcus mundtii殺雄菌屬ArsenophonusShao et al., 2017橘小實蠅 Bactrocera dorsalis產酸克雷伯氏菌 Klebsiella oxytoca肺炎克雷伯氏菌Klebsiella pneumonia土生拉烏爾菌 Raoultella terrigenaShi et al., 2012橘小實蠅Bactrocera dorsalis腸桿菌科Enterobacteriaceae腸球菌科Enterococcaceae芽孢桿菌科Bacillaceae王洪秀等, 2015澤蘭實蠅Procecidochares utilis沃爾巴克氏菌屬Wolbachia張某等, 2016桃實蠅Bactrocera zonata 陰溝腸桿菌Enterobacter cloacae肺炎克雷伯氏菌Klebsiella pneumoniaeReddy et al., 2014小貫小綠葉蟬Empoasca onukii鹽單胞菌屬 Halomonas希瓦氏菌屬 Shewanella沃爾巴克氏菌Wolbachia ssp.毛迎新等, 2018大青葉蟬 Sodalis sp.練啟仙等, 2017Cicadella viridisSulcia muelleriMichalik et al., 2014立克次氏體屬Rickettsia Lian et al., 2016蚜蟲Aphididae spp.布赫納氏菌Buchnera aphidicola 殺雄菌屬ArsenophonusBing et al., 2013楊義婷等, 2014劉艷紅等, 2018蚜蟲Aphididae spp.Hamiltonella defensaRegiella insecticolaSerratia symbiotica 立克次氏體屬Rickettsia立克次氏小體屬Rickettsiella殺雄菌屬Arsenophonus沃爾巴克氏菌屬Wolbachia 螺原體屬SpiroplasmaSimon et al., 2011豌豆蚜Acyrthosiphon pisum布赫納氏菌Buchnera sp.Wilson et al., 2010立克次氏小體Rickettsiella ssp.amiltonella 沙雷氏菌屬SerratiaTsuchida et al., 2010嗜桔粉蚧Pseudococcus calceolariaeTremblaya Gatehouse et al., 2012蚧殼蟲Scale insectUzinura diaspidicola Sabree et al., 2013沫蟬FroghopperSulcia muelleriMichalik et al., 2014

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昆蟲類型Insect type昆蟲種類Insect species共生細菌屬或種Generus and species of symbiotic bacteria參考文獻References暗黑鰓金龜Holotrichia parallels噬纖維素屬Cytophaga,黃桿菌屬Flavobacteri-um,擬桿菌屬Bacteroide圣平, 2014棉鈴蟲Helicoverpa armigera糞腸球菌Enterococcus faecalis楊焊, 2012長胸沫蟬 Clastoptera arizonana DoeringSulcia muelleriZinderia insecticolaMcCutcheon et al., 2010琉璃葉蟬Homalodisca vitripennisSulcia muelleriBaumannia cicadellinicolaTakiya et al., 2006長紅錐蝽Rhodnius prolixus椿象紅球菌Rhodococcus rhodnii Eichler et al., 2002點蜂緣蝽Riptortus pedestris伯克氏菌BurkholderiaKikuchi et al., 2012稻縱卷葉螟Cnaphalocrocis medinalis糞腸球菌Enterococcus faecalis楊焊, 2012小菜蛾Plutella xylostella阿氏腸桿菌Enterobacter asburiae肉桿菌Carnobacterium maltaromaticum陰溝腸桿菌Enterobacter cloacae夏曉峰, 2014小菜蛾Plutella xylostella腸桿菌科Enterobacteriaceae假單胞菌科Pseudomonadaceae鞘脂單胞菌科Sphingomonadaceae黃色單胞菌科Xanthomonadaceae黃桿菌科Flavobacteriaceae戴楠晶, 2014紅火蟻Solenopsis invicta鏈霉菌Streptomyces sp.DF-5張曉宇等, 2018山松大小蠹Dendroctonus ponderosae 假單胞菌屬Pseudomons 拉恩氏菌屬Rahnella沙雷氏菌屬Serratia伯克氏屬Burkholderia Adams et al., 2013咖啡漿果螟Hypothenemus hampei假單胞菌Pseudomons adaceaeCeja-Navarro et al., 2015衛生昆蟲Sanitation insects家蠅Musca domestica 不動桿菌屬Acinetobacter 土壤桿菌Agrobacterium產堿桿菌屬Alcaligenes博德特氏菌屬Bordetella短波毛單胞菌屬Brevundimonas 檸檬酸桿菌屬Citrobacter代爾夫特菌屬Delftia腸桿菌屬Enterobacter 腸球菌屬Enterococcus庫特氏菌屬Kurthia乳球菌屬 Lactococcus 俊片菌屬Lampropedia 明串球菌屬Leuconostoc微桿菌屬Microbacterium香味菌屬Myroides劉婧等, 2017; 2018

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昆蟲類型Insect type昆蟲種類Insect species共生細菌屬或種Generus and species of symbiotic bacteria參考文獻References蒼白桿菌屬Ochrobactrum變形桿菌屬Proteus普羅威登斯菌屬Providencia假單胞菌屬Pseudomonas拉烏爾菌屬Raoultella 血桿菌屬Sanguibacter 鞘氨醇桿菌屬Sphingobacterium葡萄球菌屬Staphylococcus 寡養單胞菌屬Stenotrophomonas 漫游球菌屬Vagococcus蚊子 Culicidae spp.沃爾巴克氏菌屬Wolbachia崔春來等, 2015伊蚊Aedes spp.沙雷氏菌屬Serratia腸桿菌屬EnterobacterGaio et al., 2011白紋伊蚊Aedes albopictus鮑曼不動桿菌Acinetobacter baumannii正約氏不動桿菌Acinetobacter johnsoniiMinard et al., 2013岡比亞按蚊Anopheles gambiae腸桿菌屬EnterobacterCirimotich et al., 2011蟑螂Blattodea蟑螂桿狀體Blattabacterium spp.Sabree et al., 2009臭蟲Cimex lectularius沃爾巴克氏菌Wolbachia sp.未命名的一種γ-變形菌綱細菌An unnamed γ-proteobacteriumHosokawa et al., 2010舌蠅屬Glossina Wigglesworthia glossinidiaSnyder et al., 2013其他昆蟲中華婪步甲Harpalus sinicus委內瑞拉鏈霉菌Streptomyces venezuelae孫飛飛等, 2018Other insects西方蜜蜂Apis mellifera乳酸菌群Lactobacillus seriesOlofsson et al., 2008γ-變形菌綱Gamma proteobacteria嗜酸乳桿菌 Lactobacillus acidophilus雙歧桿菌屬Bifidobacterium醋桿菌科Acetobacteraceae巴爾通氏體屬 Bartonella乳桿菌屬LactobacillusGilliamellaSnodgrassella徐龍龍 等, 2013西方蜜蜂Apis mellifera枯草芽孢桿菌Bacillus subtilisSabate et al., 2009西方蜜蜂Apis melliferaγ-1 Gilliamellaγ-2 γ變形菌綱Gamma proteobacteriaβ Snodgrassellaα-1 巴爾通體屬Bartonellaα-2 醋酸桿菌科AcetobacteraceaeFirm-4乳桿菌屬LactobacillusFirm-5嗜酸乳桿菌 Lactobacillus acidophilus雙歧桿菌屬Bifidobacterium Audisio et al., 2011

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昆蟲類型Insect type昆蟲種類Insect species共生細菌屬或種Generus and species of symbiotic bacteria參考文獻References東方蜜蜂Apis cerana蠟樣芽胞桿菌Bacillus cereus李江紅等, 2012GilliamellaSnodgrassella嗜酸乳桿菌 Lactobacillus acidophilus乳桿菌屬Lactobacillus雙歧桿菌屬BifidobacteriumLi et al., 2012熊蜂Bombus spp. 乳酸菌群Lactobacillus seriesOlofsson et al., 2008巴爾通氏體屬Bartonella雙歧桿菌屬Bifidobacteriumγ-變形菌綱Gamma proteobacteria乳桿菌屬Lactobacillus嗜酸乳桿菌Lactobacillus acidophilusGilliamellaSnodgrassella徐龍龍等, 2013麗蠅蛹集金小蜂Nasonia vitripennis殺雄菌屬ArsenophonusDuron et al., 2008歐洲狼蜂Philanthus triangulum鏈霉菌屬StreptomycesKaltenpoth et al., 2005中華婪步甲Harpalus sinicus委內瑞拉鏈霉菌Streptomyces venezuelae孫飛飛等, 2018黑翅土白蟻Odontotermes formosanus高陽鏈霉菌Streptomyces koyangensisBi et al., 2013細腰濕木白蟻 Zootermopsis angusticolis棲溫泉螺旋體 Treponema primitia T. azotonutrici-umRosenthal et al., 2011

2 昆蟲與細菌的共生機制

昆蟲與細菌共生體系的建立首先是基于雙方相互識別的化學機制，進而經過互補代謝的生理機制與內在的生態學機制，才能發揮共生體系的生理生態作用，再依靠其遺傳學機制，該共生體系得以遺傳演化和發展。

宿主昆蟲與細菌共生過程中，兩者養分的互補代謝是其共生體系的發生發展和維持重要的生理機制。蚜蟲吸食富含碳水化合物的植物汁液中缺乏氮素(如特定氨基酸)，而定殖蚜蟲體內的OEB布赫納氏菌可產生這些必需氨基酸。蟑螂、白蟻和一些食草性螞蟻腸道共生細菌可進行氨的回收和一些必需氨基酸的合成(Sabreeetal., 2012)。Wilson等(2010)通過對豌豆蚜及其Buchnera的全基因組分析發現，亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸的合成通路在Buchnera中完成，而最終轉氨過程則發生于蚜蟲細胞中。

ISB的細胞膜等膜結構中，富含真核生物才有的長鏈不飽和脂肪酸。這是由于ISB大量地吸收源于宿主的脂類，以更好地應對宿主的環境脅迫。西方蜜蜂腸道共生細菌具有與宿主交互作用、形成細菌生物膜和分解糖類物質等多種功能。α-1細菌含有維生素B12的合成系統，可能為蜜蜂合成維生素；γ-1(Gilliamella)、乳酸菌屬和雙歧桿菌屬的細菌有多種與碳水化合物相關的功能，包括合成果膠降解酶、糖苷水解酶和多糖水解酶等(Engeletal., 2012; Engel & Moran, 2013)，這些潛在功能也從基因水平上體現了乳酸菌群可能參與蜂蜜的醞造和蜜蜂對糖類物質的代謝。花粉是蜜蜂和熊蜂食物中唯一的蛋白質來源，腸道共生細菌合成果膠降解酶的功能有助于宿主蜂對花粉的消化和吸收。腸道共生細菌還具有潛在的食物解毒功能(Hehemannetal., 2010)，這對昆蟲擴大取食物范圍和適應性等發揮了重要作用。

自然選擇中，昆蟲及其共生細菌同時面臨生態選擇壓力，需要抵御不利生境，同時開辟新的生態位來獲得種群的生長與繁殖。與昆蟲形成共生關系后，細菌能夠被更好地保護及傳播，而昆蟲利用共生細菌的次生代謝產物，可提高競爭力和環境適應性。作為一種替代水平獲取基因編碼的基本代謝產物或酶，已證明ISB賦予了昆蟲適應性，使其輻射進入新生境，擴大了生態位。

ISB與宿主昆蟲形成共生體具有逆境下的進化優勢。蚜蟲與Bucheneraspp.構建的共生體系顯著提高了蚜蟲的耐熱性和高溫下的繁殖力。高溫下細菌分子伴侶基因高效表達，有效地保護了宿主體內蛋白質分子免受降解(Oliveretal., 2010)。溫度越高，煙粉虱體內共生細菌Rickettsia數量越多，由于其能誘導宿主體內耐熱基因的高效表達，顯著提高蟲體耐熱性，降低了煙粉虱死亡率(Bruminetal., 2011)。高溫處理清除家蠶追寄蠅Exoristasorbillans體內沃爾巴克氏菌后，雌蠅產卵量及卵成活率顯著下降(Guruprasadetal., 2011)。最近研究發現，不同地區、不同寄主植物、不同蚜型桃蚜OEBBuchneraaphidicola的16S rRNA基因序列高度一致。不同地區相同植物上孤雌桃蚜FEB的種類和定殖率均不同(劉艷紅等，2018)。關于昆蟲與細菌共生的遺傳學機制及其與環境互作的內在生態學機制有待深入探究。

3 昆蟲共生細菌的生理生態效應

昆蟲為共生細菌提供穩定的生境并共享特定的代謝途徑。ISB則通過協助昆蟲營養代謝，提供食物中缺乏的養分彌補食物缺陷；分泌抗菌肽、毒素等以增強昆蟲對外源寄生物的防御能力；降低昆蟲被寄生性天敵寄生的風險，協助宿主抵御病原微生物的侵染；調節宿主昆蟲對非生物因子的抗逆性，增大昆蟲的環境適合度和生態位。同時，可調控植物生理反應，抑制植物對宿主昆蟲的不利影響；利用對抗逆性基因精確的表達調控來增強宿主抗藥性等。

3.1 ISB對宿主昆蟲的影響

不同發育期的昆蟲可能需要不同的ISB以發揮不同的生理生態作用。普羅威登斯菌屬能產生木聚糖酶分解木聚糖，可能為家蠅生長發育提供能量(Rajetal., 2013)；香味菌屬可作為抗菌劑產生生物表面活性劑保護家蠅(Dharneetal., 2008)；假單孢屬廣泛分布于土壤和水中，有極強分解有機物的能力，可能協助家蠅分解有機物作為能量來源(劉婧等，2017)。實蠅腸道內的腸桿菌科細菌能提高宿主對貧瘠食物的攝取，幫助消化食物，增強實蠅的健康體質，并能調控交配和生殖系統(姚明燕等, 2017)。OEB能為宿主提供氨基酸、膽固醇等養分(Nikohetal., 2011)。Buchnera具有產生腺嘌呤的代謝網絡，可將腺嘌呤供給蚜蟲利用(Thomasetal., 2009)。低齡若蚜中的Buchnera可能為宿主蚜蟲提供維生素。特別是一些刺吸式口器昆蟲因其取食單一，無法從食物中獲取一些必需養分，只能依賴OEB提供(饒瓊和吳慧明，2014)。此外，OEB還參與植物次生物質的解毒作用及宿主的氮素循環(Sabreeetal., 2009; Sabreeetal., 2013)。ISB對宿主蜂的一個重要功能是將工蜂收集的花粉轉化為蜂糧，蜂糧比花粉含有更多的維生素、更少的多糖以及不同的氨基酸，這些養分變化很可能是共生乳酸菌群造成的，后者可使花蜜轉化為蜂蜜，因此共生菌群可能參與了蜂蜜的釀造(Mattilaetal., 2012)。咖啡漿果螟Hypothenemushampei腸道中的假單胞菌可降解咖啡因，是造成危害降低咖啡產量的主要原因(Ceja-Navarroetal., 2015)。FEB和宿主的協同進化時間更為短暫，而其功能主要與宿主的適應性有關，包括宿主的存活率、繁殖量、競爭力等，一些FEB在宿主抵御天敵如病毒、真菌和寄生蜂，以及適應環境、抵抗殺蟲劑時也發揮作用(Hedgesetal., 2008; Ghanimetal., 2009; Oliveretal., 2012)。果蠅體內定殖的沃爾巴克氏菌可提高其抗RNA病毒的能力，增強昆蟲的適應性，為昆蟲宿主提供必要的養分(Hosokawaetal., 2010)。

ISB可誘導宿主蜂產生蜜蜂抗菌肽和防御素，增加西方蜜蜂的免疫能力，改善其對病原菌的抵抗能力(Evans & Lopez，2004；徐龍龍等，2013)。用抗生素殺滅熊蜂消化道內共生細菌后，熊蜂短膜蟲Crithidiabombi對地熊蜂的感染能力增強，腸道細菌Snodgrassella與熊蜂短膜蟲感染能力的高低顯著相關(Koch & Schmid-Hempel，2011)，表明一定種類的腸道細菌一定程度上能提高宿主對寄生蟲的防御能力。

小菜蛾Plutellaxylostella中腸的共生細菌可能與其抗藥性有關，后者幫助前者消化食物、供給養分以及分解植物防御物質等，以更好的適應十字花科植物(夏曉峰，2014)。腸球菌能顯著提高小菜蛾對毒死蜱的抗性，而沙門菌顯著降低了小菜蛾對毒死蜱的抗性(夏曉峰，2014)。關于昆蟲腸道共生細菌的組成與群落結構特征對昆蟲抗藥性的影響是十分有意義的課題，值得進一步試驗。

ISB能影響宿主壽命。ISB可延長或縮短果蠅壽命。改變果蠅中細菌和腸壁吸收細胞之間的共生關系，進而促進其延長壽命(Guoetal., 2014)。腸桿菌科ISB能產生一些特殊的具有引誘活性的化學物質。Wang等(2014)從3種不同途徑采集的橘小實蠅腸道中分離出具有引誘活性的腸桿菌科細菌，其中，加入陰溝腸桿菌Enterobactercloacae和弗氏檸檬酸桿菌Citrobacterfreundii的LB液體培養基比不加菌的LB液體培養基能引誘更多的橘小實蠅成蟲，經滅菌的這2種菌株的菌懸液也比無菌對照引誘力強。實蠅腸道中ISB能增強宿主健康和交配能力，聚團腸桿菌Enterobacteragglomerans、成團泛菌Pantoeaagglomerans和肺炎克雷伯氏菌能提高地中海實蠅性表現力(Lauzon & Potter, 2012)；飼喂接種有產酸克雷伯氏菌的飼料可增加地中海實蠅的性表現力和饑餓壓力下的壽命(Gavrieletal., 2011)。

3.2 ISB對昆蟲病原物的影響

ISB不僅影響宿主昆蟲病原物，如拮抗昆蟲病原細菌、病原真菌和病毒等，減輕昆蟲病害；還能影響由宿主昆蟲傳播的病原物，如動物病毒和植物病毒等。蜜囊中的乳酸菌群強烈抑制幼蟲類芽孢桿菌，一定程度上遏制美洲幼蟲腐臭病的發展(Forsgrenetal., 2010；Vásquezetal., 2012)。蠟樣芽胞桿菌Bacilluscereus和枯草芽孢桿菌Bacillussubtilis對蜜蜂白堊病的致病菌球囊菌Ascosphaeraapis也有抑制作用(Sabateetal., 2009; 李江紅等，2012)。按蚊Anophelessp.吸血24 h后革蘭氏陰性細菌為主的腸道種群數量大量增加，這些細菌不僅會與瘧原蟲發生養分競爭，還發揮物理屏障作用或產生各種酶、毒素等直接抑制瘧原蟲的發育；也可通過激活與瘧原蟲具有交互作用的按蚊免疫反應，或改變按蚊的生理代謝從而間接影響瘧原蟲的發育(崔春來等，2015)。如果用抗生素清除腸道細菌，處理的按蚊會更容易受瘧原蟲感染(Dongetal., 2009)。從岡比亞按蚊Anophelesgambiae體內分離到一株腸桿菌，與感染瘧原蟲的血液混合飼喂按蚊后能顯著抑制惡性瘧原蟲對按蚊的感染(Cirimotichetal., 2011)。除去沙漠蝗Schistocercagregaria的腸道細菌，其感染粘質沙雷氏菌Serratiamarcescens的濃度比對照高5倍，并呈腸道細菌種類越多則該病原菌的濃度越低的趨勢(Dillonetal., 2005)。值得關注的是，小蠹亞科昆蟲和螞蟻中，某些ISB能抑制環境中與昆蟲共生真菌存在拮抗關系的一些真菌，間接促進共生真菌的發展(黃旭等，2015)。沃爾巴克氏菌能提高宿主黑腹果蠅對許多病毒的抵抗能力，并且在其他昆蟲中沃爾巴克氏菌可能也具有類似功能(Martinezetal., 2014)。

然而，ISB并不總是有助于提高宿主抗病性。黑腹果蠅中沃爾巴克氏菌不能提高果蠅對病原細菌的抵抗力(Wongetal., 2011；Rottschaefer & Lazzaro, 2012)；岡比亞按蚊中腸內腸桿菌的豐度與瘧原蟲感染呈正相關(Boissiereetal., 2012)；Spiroplasma反而增加宿主對某些病原細菌的敏感性(Herren & Lemaitre，2011)；莎草黏蟲中沃爾巴克氏菌增強了宿主對核型多角體病毒的敏感性(Grahametal., 2012)。ISB與病原物的關系受到昆蟲種類、基因型、生育期、ISB種類及其與宿主進化關系、體內其他ISB的狀況和環境條件等的影響(ukasiketal., 2013; Oliveretal., 2014)。

ISB可以通過增強昆蟲的免疫系統，從而間接影響病毒的傳播。已證實ISB能提高植物病原微生物通過植食性昆蟲傳遞的效率(De Barroetal., 2011)。B型煙粉虱攜帶的植物病毒能夠增強與其他植食性昆蟲的競爭力(McKenzieetal., 2002；褚棟等，2004)。而煙粉虱共生細菌產生的GroEL蛋白對煙粉虱傳播病毒起著重要的保護作用(Akadetal., 2004)。B型煙粉虱的OEB產生的GroEL蛋白可能與其廣泛傳播的植物病毒繼而增強其競爭力相關。黑尾葉蟬的共生細菌Sulcia與水稻矮縮病毒(RDV)直接發生互作，病毒可直接附著Sulcia的外膜上，病毒外殼蛋白和細菌外膜蛋白的互作介導了這類病毒和細菌的直接結合，借用古老的共生細菌入卵通道，從而較為輕易地突破昆蟲經卵傳播屏障，并攜帶病毒經過上皮組織進入葉蟬卵母細胞，從而幫助病毒經卵垂直傳播給葉蟬后代，該互作發生于黑尾葉蟬外殼蛋白P2與Sulcia外膜蛋白之間，抗生素處理葉蟬體內ISB后，葉蟬若蟲期的發育受阻，F1代和F2代的傳毒效率受到嚴重影響(Jiaetal., 2017)，這是首次發現的病毒病原物可直接利用ISB協助其傳播的現象，是跨界物種病毒和細菌在昆蟲卵巢中的奇妙匯合，揭示了病毒經卵傳播的一個新模型，對詮釋蟲傳病毒的分子機制以及蟲傳病害的控制具有重要的意義。

另外，十分有趣的是Buchnera含有高濃度GroEL蛋白，該蛋白能保護病毒免遭降解，從而促進蚜傳病毒。然而，采用免疫細胞化學的方法發現游離GroEL會阻礙GroEL與病毒的互作，使得體內GroEL不能與病毒粒子發生相互作用，不能促進病毒的傳播(Bouvaineetal., 2011)。可見，關于ISB對宿主傳毒的效應與機制有待深入系統的研究。

3.3 ISB對其他生物的影響

ISB對宿主昆蟲的寄主植物及其天敵昆蟲等也產生一定影響。蚜蟲的OEB對蚜繭蜂發育也具有重要影響。Buchnera可為蚜繭蜂生長發育提供養分。當去除蚜蟲的OEB后，蚜蟲體內的蚜繭蜂發育延遲，羽化的成蜂體重下降。FEB則影響宿主對不同植物的利用能力、宿主適合度、競爭能力乃至宿主進化等。昆蟲與細菌形成的共生體通過改變植物的防御機制和天敵作用轉變自身趨性(楊義婷等，2014)。ISB可以改變植物適合度間接提高宿主的生殖力(Himleretal., 2011)。可見，自然界中生物之間的互作關系是十分復雜多樣的，今后的研究中應給予必要的關注。

4 昆蟲共生細菌的作用機制

昆蟲與細菌共生所產生的生理生態效應的作用機制是多種多樣的。ISB合成或分解產生的某些代謝產物可被宿主用來合成信息素或激素，從而介導昆蟲的行為和生殖力。沃爾巴克氏菌誘導潛葉蛾幼蟲產生的細胞分裂素可延緩幼蟲所取食葉片衰老，而綠色組織的光合作用彌補了黃色組織的不足，保證了潛葉蛾有足夠的食物維持其生長發育和后代繁殖，進而提高了生殖力(Kaiseretal., 2010)。白蟻體內的共生細菌產生甲烷氣體以阻止螞蟻及其他天敵的捕食。沙漠蝗腸道定殖的成團泛菌Pantoeaagglomerans利用宿主消化廢棄產物中的木質素衍生物香草蘭酸合成愈創木酚，而后者是沙漠蝗聚集信息素的前體，聚集信息素通過糞便揮發吸引更多的蝗蟲種群活動(Dillonetal., 2000)。與之相反，蝗蟲微孢子蟲可改變飛蝗聚集化學信息，從而阻止飛蝗的群集行為。前者改變蝗蟲免疫系統和腸道化學性質，殺死大量參與合成蝗蟲聚集信息素的腸道細菌，以擾亂蝗蟲神經系統，誘導和保持群居行為的神經遞質水平下降，導致群居的蝗蟲回到獨居(Shietal., 2014)。當病原物進入蟲體后，ISB產生抗菌物質或與病原物競爭，阻礙后者獲得必需養分，從而抑制病原物增殖(Kaltenpoth & Engl，2014)。沙漠蝗腸道共生細菌能產生酚類等抗真菌物質，可直接抑制綠僵菌的感染。唐菖蒲伯克霍德菌Burkholderiagladiolibacteria通過產生抗菌化合物保護擬步甲Lagriavillosa甲蟲的卵，同時保持其該蟲侵害植物的能力(Flórezetal., 2017)。另一方面，ISB誘導宿主產生免疫反應，使防御通路表達上調，從而降低宿主對病原物的敏感性。豌豆蚜的基因組中缺少一些與免疫反應相關的基因，當其遭受病原物侵害時可能主要依靠ISB來彌補此“缺陷”(Gerardoetal., 2010)。乳酸菌抑制幼蟲類芽孢桿菌生長的作用是由于其產生的有機酸造成的(Audisioetal., 2011)。對中腸細菌介導小菜蛾抗性機制研究中發現，前者直接參與農藥的代謝降解并非其引起抗藥性的主要機制，腸球菌和抗生素對小菜蛾中腸解毒酶基因的調控相似，均能誘導小菜蛾腸道谷胱甘肽S-轉移酶和羧酸酯酶的高表達，提高其對農藥的抗性(夏曉峰，2014)。蒙特氏腸球菌能分泌抗菌肽形成化學屏障選擇性地抑制海灰翅夜蛾腸道內的病原物，從而有益于腸道菌群的正常發展，減少病原物通過腸道引起的感染(Shaoetal., 2017)。該“以菌殺菌”的抗侵染策略可促進昆蟲與細菌共生協作，可望為殺菌防腐、解決抗生素耐藥性問題開辟新途徑。

5 研究動向與展望

昆蟲與細菌的共生機制、共生效應與作用機制是國內外研究的前沿和熱點之一。特別是各種生物學新技術在生物共生學領域的大量應用，極大推動了對ISB物種多樣性、功能、與宿主互作及協同進化關系的研究。例如，通過分離不同發育階段家蠅腸道共生細菌，可確定家蠅體內共生細菌類群的變化規律；獲得細菌菌株；探究其在家蠅變態發育和抗逆適應過程中發揮的作用；探尋防治家蠅的微生態學靶標等，為生物防控害蟲提供理論依據。通過研究ISB及其功能基因在昆蟲種群動態中的作用，特別是研究ISB對宿主生殖、存活、適應環境能力的影響，將有利于揭示ISB與宿主的共生機制，并最終為開發新的防控技術提供新思路和新途徑。

然而，多數昆蟲個體微小，細菌分離培養困難，研究ISB功能的難度更大。今后，首先應加大對昆蟲與細菌共生體系研究的力度、范圍和深度。可從少數物種(一種細菌和一種昆蟲)構建的共生體系向多個物種(2種以上細菌和多種昆蟲)構建的共生體系拓展；可加強探究昆蟲的OEB參與宿主昆蟲必需營養合成基因的生物學功能、OEB和FEB之間的互作機制、ISB對昆蟲宿主種群的影響以及植物+昆蟲+ISB三者之間的互作體關的研究。其次，應關注昆蟲+原生動物+細菌三重共生體系的研究。例如，斯氏屬Steinernema與異小桿屬Heterorhabditis昆蟲病原線蟲是國際上新型的生物殺蟲劑，分別與腸桿菌科Enterobacteriaceae的致病桿菌屬Xenorhabdus和發光桿菌屬Photorhabdus細菌互惠共生。這類線蟲之所以對昆蟲寄主具毒殺能力，定殖其體內的ISB發揮了關鍵性作用。昆蟲病原線蟲與共生細菌的共生關系表現為共生細菌為線蟲生長發育提供養分，同時作為關鍵的殺蟲因子，線蟲作為載體將共生細菌攜帶進入昆蟲體內。因此，研究ISB與昆蟲病原線蟲之間的定殖關系對這類生物殺蟲劑的致病力和產業化生產都具有重要意義，也為ISB的分子機制研究提供了良好的生物模型。第三，常采用傳統培養與分子生物學方法相結合的研究方式，可以提高研究試驗結果的可靠性。當前和今后還可采用宏轉錄組學和基因芯片等技術來分析ISB的生理生態功能與演化，并不斷開發和完善ISB研究技術，為探究昆蟲與細菌互作體系、營養代謝、免疫防御、抗藥性、生長發育和環境適應等方面提供新技術。

可以預見，隨著研究的深入，可從更大范圍的昆蟲中分離獲得更多的ISB新種；挖掘出具有特殊功能或新穎代謝產物的ISB物種，為具有更大科學價值和開發意義的研究提供材料和技術基礎；隨著基因組學和蛋白質組學技術的應用，ISB共生機制和進化機制的研究也會獲得新突破；在研發綠色防控害蟲的新技術中ISB將發揮越來越重要的作用。