刺吸式昆蟲共生菌研究進展

伍春芳，景凱婷，夏露霞，程墻義，潘 鋮

（中國計量大學生命科學學院，浙江杭州 310018）

共生菌與植食性昆蟲形成的共生關系，在宿主昆蟲與植物漫長的協同進化過程中發揮著不可替代的作 用［1-2］。近年來，昆蟲與共生菌之間的互作關系受到越來越多的關注。刺吸式昆蟲通常以口器刺破植物韌皮部組織或細胞，從胞間或胞內吸取汁液獲得所需營養，有研究發現這種取食方式由于其食物來源較為單一，取食到的營養物質難以完全滿足其生命需要，需依賴專性內共生細菌提供，因此刺吸式昆蟲體內往往都攜帶著一種或是兩者及以上可以補充植物汁液中所缺失的營養物質的共生菌。自然界中，已知約有60%的昆蟲都含有共 生菌［3-4］。

共生菌與昆蟲相互依賴，協同進化。昆蟲為體內共生菌提供相對穩定的環境，共生菌可存在于昆蟲的腸道、外骨骼、生殖系統等部位，為昆蟲的生長繁殖、環境適應、營養物質代謝等方面提供幫助。研究昆蟲體內的共生菌，可通過腸道共生菌的研究與昆蟲生命歷程關聯分析，研制出更為有效的防治途徑［4］。基于此，收集并整理了刺吸式昆蟲共生菌的相關文獻，著重對于刺吸式昆蟲體內的共生菌種類、傳播規律與作用、共生菌研究手段以及防治方法等方面的研究現狀進行總結，以期推進共生菌防治農業害蟲的研究。

1 昆蟲體內共生菌概況

1.1 體內共生菌的種類

共生菌根據其生物學和進化史，可分為原生共生菌（Primary symbiont）和次生共生菌（Secondary symbiont）［5］。雖然共生細菌在昆蟲中分布普遍且其種類不一，但每種昆蟲體內有且只有一種原生共生菌，并且存在嚴格的共生關系，如蚜蟲體內是Buchnera，粉虱體內為Portiera，木虱體內則是Carsonella［6-7］。次生共生菌的種類相對多樣化，可有一種或一種以上，有研究者分析了多個地區不同寄主植物上麥長管蚜種群內的共生菌情況。結果發現，初級共生菌B.aphidicola存在于所有個體中，但種主要次級共生菌H.defensa和R.insecticola，在不同種群中感染率和同一寄主下不同地方種群中均存在很大差異［8］。

根據進化時間的不同，昆蟲體內共生菌還可以分為專性共生細菌和兼性共生菌。專性共生菌存在嚴格的協同進化關系，可為宿主提供氨基酸等營養物質，與生長繁殖、次生物質解毒方面等密切相關，一般進行垂直傳播從母本傳給子代［9］。兼性共生細菌一般分布在含菌細胞、血淋巴等器官，即可進行水平方式傳播又可進行垂直方式傳播，主要在昆蟲存活率、抵御天敵等宿主適應性方面發揮作用［10］。

1.2 體內共生菌的傳播規律

共生菌在昆蟲體內的傳播方式主要分為垂直傳播和水平傳播。共生菌經卵垂直傳播可分為共生菌侵染宿主昆蟲幼蟲中的卵母細胞、侵染宿主昆蟲年輕雌成蟲中的卵母細胞、侵染宿主昆蟲雌成蟲中的成熟卵母細胞以及侵染宿主昆蟲囊胚期胚胎4 種方式［11］。蚜蟲次生共生菌大多存在于血淋巴中或菌胞中，主要隨母代垂直傳播，但也有研究表明，次生共生菌也可以在種內和種間發生水平傳播。通過熒光原位雜交技術和透射電鏡技術發現共生菌H.defensa可在攜帶者取食后在小麥葉片中存留大約12 d，感染未攜帶的蚜蟲，并能在其后代中穩定［12］。

1.3 體內共生菌的作用

共生菌可對昆蟲的生長繁殖、環境適應、營養物質代謝等方面提供幫助。共生菌可為宿主提供營養物質，因為韌皮部汁液缺乏合成必須氨基酸的基本元素，以其為食的刺吸式昆蟲就需要依賴體內的共生菌為宿主昆蟲提供必需氨基酸［13］。草翅葉蟬的兩種專性共生菌，Sulcia負責合成精氨酸（Arginine）等8 種氨基酸，Baumannia則合成維生素和輔助因子［13］。共生菌可協助宿主降解有毒物質，提高抗藥能力以及提高昆蟲的防御能力。共生菌可以通過礦化、代謝等方式將外源毒素轉變為無毒的物質，協助宿主降解有毒物質或者農藥。豌豆蚜中的次生共生菌Hamiltonella對于寄生蜂（Aphidius ervi）具有一定的抵抗作用［13］，適應性實驗發現感染共生菌H.defensa后的蚜蟲種群適應性顯著提高，體重、無翅蚜率及后代產蚜量等方面顯著提高［13］。共生菌還是昆蟲傳播病毒的中間介體，葉蟬體內的共生細菌Sulcia可直接介導水稻矮縮病毒的入卵傳播，Hamiltonella可協助傳播番茄黃化曲葉病毒［14］。

2 共生菌的研究方法

昆蟲共生細菌多樣性分析最常用體外培養鑒定。例如，褐飛虱腸道微生物主要采用離體平板培養和克隆文庫法，且集中于細菌群落結構和多樣性分析方面［15］。由于其部分生物進程的基因高度缺失，決定了共生菌對宿主細胞的依賴性，導致大部分共生菌無法在宿主昆蟲體外進行離體培養［4］，同時體外培養需要如特殊營養物質、pH、氧化還原電位等等復雜特殊的生存環境，使絕大多數共生菌難以人工培養，同時利用培養基分離的細菌分類單元相對偏少，效率較低。利用16S rRNA 序列分子標記鑒定可更精準的鑒定細菌多樣性，但利用16S rRNA 結合限制性片段長度多態性（RFLP）等技術的分子標記，雖然鑒定難度和分類單元增加，但文庫構建和電泳分析均費時費力。

近年來，隨著宏基因組學的興起以及分子生物學技術的發展，使用新的技術對昆蟲腸道微生物進行研究成了當前的研究熱點。轉錄組學及細菌基因組學等高通量測序技術的發展，為解析褐飛虱腸道菌群結構提供了強有力的分析手段，它具有高靈敏度、高精確性、高效率和低成本等優勢。利用末端限制性片段長度多態性（T-RFLP）分析16S rRNA 序列時僅能檢測出23 種細菌，而利用16S rRNA 結合高通量測序可分析出203 個分類單元［16］。新技術的不斷發展，可對大部分的原來難以體外培養的共生菌的種類進行明確，還可預測共生菌與共生菌之間的和共生菌種群的相應功能，為未來更加深入研究共生菌提供的新的方向和契機。

3 共生菌的防治作用

研究昆蟲共生菌為開發生物能源提供了理論依據。Wolbachia所引起的細胞質不親和這一特性，可以在昆蟲種群中傳播，這一現象在昆蟲與共生菌技術預防上有著重要的作用［17］。利用基因工程技術對昆蟲體內的共生菌進行技術改造，能夠解決因為昆蟲對藥物產生的耐藥性引起的昆蟲防治方面的問題，目前已經出現了用抗生素除去昆蟲體內的共生菌進而引起昆蟲死亡的實例。麥蚜作為危害小麥的重要害蟲，由于蚜蟲的強適應性導致抗蚜基因的匱乏，使得常規抗蟲難以奏效。到目前為止，蚜蟲強適應性的原因以及蚜蟲如何克服寄主植物的防御體系仍然不清晰。PANG 等用Arsenophonussp.細菌代替褐飛虱腸內的Arsenophonus細菌，發現褐飛虱對殺蟲劑的抗性顯著降低［18］。李遷利用PCR 的方法鑒定了17 個不同地理種群麥長管蚜體內共生菌的多樣性，結果發現不同地理種群中共生菌多重感染現象嚴重，并沒有發現單一次級共生菌的感染的種群，如能改變蚜蟲體內的共生菌構成，是否能降低其抗藥性［12］。

當前，昆蟲的抗藥性治理有多種方式，其中生物防治手段以其能夠有效控制害蟲、減少環境污染、低成本等優勢已逐漸受到廣泛關注。生物防治可利用天敵昆蟲、昆蟲信息素等。最近很多研究發現昆蟲共生菌與抗藥性有一定關系，為昆蟲抗藥性治理及農藥降解提供了新方向。從昆蟲體內的共生菌入手探索將共生菌用于害蟲防治將會為害蟲綜合治理提供一條全新的途徑。

4 結語與展望

借助基因組學、轉錄組學和蛋白質組學等高通量技術，將傳統研究與分子生物學相結合，明確共生菌的多樣性和特異性是研究其功能和機制的前提。解析共生菌與宿主昆蟲的互作模式及其分子機制，有利于發現昆蟲在進化上的機制。共生菌參與植物-害蟲-天敵的互作模式是當前研究熱點之一。生態防控中提出利用專一性天敵防控害蟲，但由于害蟲體內共生菌的參與，使防治效率大大降低。因此，研究防御性共生菌的穩定傳播機制有利于揭示不同昆蟲對環境、寄主或生境的適應機制。