摘要：昆虫体内栖息着丰富多样的微生物, 这些微生物与昆虫的长期共同进化过程中形成了相互依存的共生关系。共生菌在宿主的营养获取、取食消化、免疫活动、逃避天敌、生长发育、繁殖中发挥着不可或缺的重要作用。尤其是共生菌——昆虫——植物互作关系, 已经成为研究热点。本文从昆虫共生菌的种类、功能以及与宿主的互作机制等多方面进行描述。
关键词：共生菌; 昆虫; 植物; 互作;
昆虫是自然界中最大的生物类群, 已经鉴定的种类超过100多万种, 占地球上动物类群的75%以上。它们之中除了少数有害种类以外, 大部分种类都在为地球生态系统和人类做着重要的贡献。在食用 (饲用、食用、药用) 、环境治理、工业资源、观赏、土壤改良等方面发挥着极其重要的作用。研究表明, 昆虫在实现以上功能时都有体内的微生物的参与。
昆虫体内含有各种共生微生物, 这些微生物在一般存在于昆虫肠道中、特殊的器官中或者细胞内。这些微生物几乎参与了宿主所有的生命活动, 一旦昆虫体内感染共生菌, 会产生新的生物学性状, 这些新的性状在昆虫的适应、进化和多样性方面发挥了巨大作用。一般来说, 共生菌与昆虫生长发育繁殖息息相关, 经过长时间的进化, 与昆虫形成了互利共生的关系。共生菌可为宿主提供必要的营养, 使其对环境耐受影响其交配、繁殖、代谢、免疫等功能, 还可以介导解毒昆虫取食, 增强宿主自身防御病原微生物、寄生物的能力, 保护宿主逃避天敌, 避免被寄生或捕食, 甚至可以赋予宿主对杀虫剂产生抗性。共生菌与宿主的互利共生为昆虫的生存带来便利, 同时昆虫共生菌在开发害虫新型生物防治、废弃物生物降解和虫媒传染病的阻断控制手段中具有重要的应用前景, 还可以利用昆虫与共生菌的关系来进行病虫害防控。
近年来, 昆虫与共生菌的关系受到越来越多的关注, 随着高通量测序工具和分析软件的发展, 使得越来越多的共生菌功能被明确, 这些都在为共生菌———宿主———植物的互作研究奠定基础。本文简要概述了昆虫共生菌的研究进展, 重点围绕昆虫共生菌的多样性、生物学功能、与宿主互作机制, 以及共生菌———昆虫——植物互作研究进行综述, 并对未来研究提出展望。
1 昆虫共生菌
1.1 昆虫共生菌的起源、分布和种类
内共生菌是由一个自由的有机体演变而来, 其结构及功能与线粒体、叶绿体相似, 与昆虫的共生关系可追溯到2~2.5亿年前, 在宿主昆虫体内逐渐进化成一个类细胞器的结构, 含有与宿主完全不同的核酸、蛋白质合成系统, 且不受宿主免疫系统的抵御, 正是因为这种长期的协同进化过程, 才最终形成了稳定的、可遗传的共生系统。
昆虫微生物一般存在于昆虫肠道、外骨骼、特殊的器官中或者细胞内。尤其是在肠道内研究较多, 国外有学者已将肠道菌群当作昆虫的一个特殊“多功能器官”, 作为昆虫个体的重要组成部分。
共生菌主要包括酵母、真菌、细菌三大类。主要分布在变形菌门γ变形菌纲、α变形菌纲, 肠杆菌科细菌, 衣原体门的衣原体纲, 拟杆菌门类噬胞细菌, 梭状芽孢杆菌。根据其在寄主昆虫体内的分布和与寄主的进化关系可以划分为两类:一是原生共生菌 (primary symbiont) , 指分布于特化的寄主昆虫细胞, 含菌细胞 (bacteriocyte) 内, 与寄主协同进化, 垂直卵传的共生细菌。一是昆虫只有一种原生共生细菌。二是次生共生细菌 (second symbiont) , 是指不局限于含菌细胞, 而且分布于寄主多种细胞内, 不仅可以垂直卵传, 还可以水平传播的共生细菌, 与共存的原生共生细菌相比, 次生共生细菌和寄主昆虫的协同进化关系更加短暂、更加松散, 反映出感染寄主昆虫的历史较短, 一种昆虫可以有多种次生共生菌。
1.2 昆虫共生菌的传播方式
共生菌在昆虫体内的传播方式主要有垂直传播和水平传播。在蚜虫体内局限于含菌细胞中的原生共生菌Buchner通过雌蚜的卵细胞或细胞质垂直传递给后代;褐飞虱体内共生菌利用肌动纤维蛋白介导的卵巢传递方式传递给后代。而次生共生菌不仅可以通过受精卵或胚胎进行垂直传递, 还可通过个体间的相互接触侵染甚至寄生性天敌的间接作用进行水平传递。例如烟粉虱体内的次级共生菌沃尔巴氏菌和蚜虫体内的次级共生菌U型共生肠杆菌R.insecticola可通过寄生蜂的产卵管在不同个体之间进行转染。考虑到次生共生菌其特殊的分布方式和感染概率低的事实, 水平传递可能是其主要传播途径。
2 昆虫共生菌主要功能
2.1 昆虫共生菌的营养和物质代谢功能
很多昆虫都依赖共生菌提供饮食中缺乏的必需营养, 特别是取食木质部或韧皮部的昆虫, 共生菌可以消化纤维素, 使得这类昆虫在微生物的辅助下可以在不均衡营养条件下存活。植物营养供给在昆虫发育, 尤其是早期阶段作用显著, 这些共生体有助于生物合成必需氨基酸以及昆虫植物饮食缺乏的维生素。蚜虫中的Buchnem aphidicola为宿主提供植物汁液中缺少的必需氨基酸。采采蝇中的Wigglesworthia glossinid可以合成宿主血液中缺乏的维生素B。在白蚁中, 共生菌Nasutitermes spp在协助宿主消化纤维素中起着重要作用。蚂蚁共生菌Blochmannia、蜚蠊共生菌Blattabacterium以及一些食木蟑螂共生菌Blattabacterium cuenoti也起到了提供必需氨基酸的作用。
2.2 保护宿主免受病原菌侵害以及抵御天敌
昆虫共生菌对宿主免疫力有独特的影响, 高效的抗菌素系统能够在和共栖的微生物群落互利的同时消灭病原体。果蝇Drosophila melanogaste中肠道细菌的含量与果蝇发病率呈负相关。豌豆蚜虫 (Acyrthosiphon pisum) 体内的垂直传播的常见兼性共生菌Regiella insecticola在宿主抵挡真菌病原体Pan dora, 降低真菌的传输速度中发挥着重要作用, 感染Regiella insecticola的豌豆蚜存活率大大增高。同样的, 感染了病毒的豌豆蚜可以大幅度降低天敌寄生蜂-蚜茧蜂 (Aphidius ervi) 的寄生率, 提高豌豆蚜的适合度。
2.3 影响宿主交配行为并调控其生殖
果蝇中, 通过控制果蝇取食, 可以影响宿主体内肠道共生菌的含量, 进而影响果蝇的交配选择行为。属于变形菌纲的Wolbachi在鞘翅目、双翅目、半翅目、同翅目、膜翅目、鳞翅目、直翅目昆虫中分布广泛, 对昆虫的生殖影响显著。主要包括:一是胞质不亲和 (cytoplasmic incompatibility (CI) ) , 这种现象在灰飞虱Laodelphax、粉斑螟Ephestia cautella、螨虫中常见;二是诱导雌性化 (feminization) , 鳞翅目昆虫中, 雌性的染色体为ZW或者ZO型, 雄性为ZZ型, 但是来自Wolbachi共生的ZZ个体在幼虫的生长过程中就死亡了;三是杀雄, 多种昆虫中已经发现了杀雄性的Wolbachi, 并普遍存在;四是增强雌性繁殖力和生殖力, 在臭虫Clmex lectularius中, Wolbachi与宿主的互利共生关系直接影响宿主的生存, 并显著影响宿主的繁殖。利用Wolbachi的功能, 可以将其作为载体, 将某种特定基因在宿主种群中传播, 目的性的改造宿主种群的基因型, 增强天敌的生物防治能力或害虫防治。
2.4 赋予昆虫杀虫剂抗性
昆虫杀虫剂抗性机制与共生菌的密切相关, 昆虫利用体内共生菌对杀虫剂产生抗性。敌百虫是高效低毒的有机磷杀虫剂, 防除重要害虫桔小实蝇Bactrocera dorsalis效果良好, 但是共生菌Citrobacter freundii BD (CF-BD) 的协助下, 可以对敌百虫进行降解, 导致桔小实蝇对敌百虫抗性增加。从土壤中获取的共生细菌Burkholderia可以帮助椿象Riptortus pedestris抵御有机磷杀螟松, 引起杀螟松退化。而且通过宿主昆虫与肠道细菌的免疫互作, 也能使宿主对生物农药的抗性提高, 通过对共生菌介导的抗药性机制研究, 有利于对昆虫进行生物防治。
2.5 利用共生菌杀灭害虫
研究证明, 利用共生菌Pantoea agglomerans可以干扰蚊子中疟疾的传染源-疟原虫Plasmodium berghei的发育, 使蚊子携带疟原虫的比例下降84%, 这极大降低了传播疟疾的概率, 疟疾是世界上最致命的传染病之一, 这些共生菌可以调控一些免疫基因的抗疟原虫作用, 转基因共生菌可以作为对抗疟疾的有利工具。此外, 也可以利用共生菌参与其他疾病的防控, 利用四环素处理的麻翅库蚊Culex bitaeniorhynchus可以使其容易感染日本脑炎, 埃及伊蚊Aedes aegypti的共生菌被证明可以抑制登革热病毒的感染。
3 共生菌调控昆虫与植物的互作关系
植物主要由一些很难消化的结构化合物组成, 例如纤维素和木质素, 它含有多种有毒化学物质, 昆虫不取食这些物质, 甚至对昆虫有害, 这对食草昆虫是个巨大挑战。因此, 鉴于此, 植食性昆虫利用共生菌共同进化已经进化出多种机制, 使其帮助昆虫进行植物细胞壁的降解, 引起解毒作用, 使宿主可在植物上取食。
尽管在昆虫中有许多的碳水解活动, 它们细胞溶解机制的能力很差, 食木性昆虫中肠中的共生菌可以帮助宿主进行纤维素分解。其中以白蚁共生菌研究最多, 尤其是最近白蚁共生菌的宏基因组和全面的转录组分析产生大量的基因组信息, 同时这些信息将更新白蚁的营养学领域。
共生菌可以协助宿主取食、消化与解毒, 从而扩大宿主取食谱。例如白蚁后肠共生菌可以协助白蚁消化植物细胞壁, 蚂蚁的共生真菌可以产生一种乳糖酶, 它能协助工蚁调节植物的解毒作用, 含有Pseudomonas, Rahnella或一些其他的肠道细菌的山松大小蠹Dendroctonus ponderosae具有降解萜烯的遗传能力, 可以取食富含萜烯的树木。实际上, 现在植食性昆虫为了满足自身的生长发育以及繁殖, 对植物的需求已经发生了巨大变化。植物饮食中缺乏的一种重要营养是可用的氮, 少量的可利用营养会对植食性昆虫的发育和适合度产生负面影响。为了克服这一障碍, 大量昆虫在进化过程中已经形成了与营养内共生菌具有紧密联系。对于专门在缺氮基质上生存的昆虫而言, 更是如此, 原因是这些昆虫高度依赖于细胞内的共生菌来提供其寄主食物中缺失的氮。
昆虫与其共生菌可通过改变植物寄主的防御机制和天敌的作用来影响自身趋性的转变。在番茄木虱体内, 高浓度的共生菌与减少的番茄防御路径表达相关。昆虫共生菌还可以通过改变植物的适合度来间接影响宿主的生殖能力, 感染共生菌的紫云英蚜虫Megoura crassicauda和感染Regiella的豌豆蚜虫Pisum sativum在三叶草上的繁殖力大大提升。
内共生菌能促进植物病原微生物的传播。许多严重植物病害都是由植物病毒引起的, 共生菌感染昆虫后, 可以提高植物病原微生物通过植食性昆虫的传递效率。在重要的经济害虫害虫烟粉虱是中bemisia tabaci, 病毒粒子首先结合可循环的细菌伴侣Gro EL分子, 聚集在宿主唾液腺中, 在昆虫取食时释放至寄主植物内, 导致此病毒在粉虱种群间慢性感染, 最终造成烟粉虱引起的田间病毒病流行和昆虫种群大爆发。
内共生菌的介导可以促进外来有害昆虫的入侵性。红脂大小蠹Dendroctonus valens的入侵对我国的松树Pinus tabuli formis造成了致命的伤害, 共生菌在协助红脂大小蠹的入侵过程中举足轻重。含有共生菌的红脂大小蠹可以和携播的真菌Leptographium procerum在我国形成一个新的基因型, 形成共生菌———红脂大小蠹———真菌三者互惠模式, 帮助红脂大小蠹攻破松树的防御。且这种基因型的红脂大小蠹对寄主是致命性的, 定殖成功后, 还可以使宿主释放更多引诱剂吸引更多的红脂大小蠹。共生菌Streptomyces, γ-Proteobacteria和Amylostereum areolatum在协助云杉蓝树蜂Sirex noctilio获取寄主云杉Picea asperata Mast的营养, 进而成功入侵美洲, 澳大利亚, 新西兰等地中其作用显著。
4 展望
昆虫共生菌已经成为当前昆虫学领域研究的热点之一。早期昆虫肠道微生物的研究主要依赖于传统的微生物分离培养和基于16S r RNA基因的PCR-DGGE、RFLP、16S r RNA探针及16S r RNA克隆文库测序等。有些昆虫肠道微生物在体外培养较为困难, 因传统研究手段的限制, 影响了这些未培养微生物的发现。而传统的方法或简单及基于18Sr DNA的序列简单放大不能有效的很快确定物种的种类。下一代测序技术的日益增长将大大促进对昆虫相关微生物群落的分析, 这无疑可以揭示大量未知的保护性共生生物的微生物群落。且随着分子生物学、基因组学、转录组学和蛋白质组学的快速发展, 越来越多有关共生菌文献的发表, 科研工作者可以利用各种手段不断探索共生菌的种类、功能和作用, 进而扩展到与寄主昆虫的相互作用模型和分子机制, 及共生菌之间的相互作用等。
其中内共生菌在共生菌———害虫———植物相互作用模式和机制已逐渐吸引大家目光。防御性共生菌能够增加寄主对天敌的防御力, 可能会降低原有天敌的防治效力。另外, 寄主植物的转换或范围的扩大能够改变昆虫的分布和扩散, 所以防御性共生菌, 例如H.defensa, 可能影响昆虫获取新寄主或入侵到新的地理区域的能力。对于利用植食性昆虫防治杂草的生物防治案例而言, 防御性共生菌可能会增加这类植食性昆虫对天敌的防御力, 有利于种群的建立和扩张, 提高生物防治的效力。因此, 深入探究共生菌在植物———昆虫———共生菌3级营养链的作用和影响机制具有非常重要的理论和实际意义。
参考文献
[1]Adams AS, Aylward FO, Adams SM, Erbilgin N, Aukema BH, Currie CR, Suen G, Raffa KF, .Mountain pine beetles col onizing historical and naive host trees are associated with a bacterial community highly enriched in genes contributing to terpene metabolism[J].Appl Environ Microbiol, 2013, 79 (11) :3468-3475.
[2]Ceja-Navarro JA, Vega FE, Karaoz U, Hao Z, Jenkins S, Lim HC, Kosina P, Infante F, Northen TR, Brodie EL, .Gut mi crobiota mediate caffeine detoxification in the primary insect pest of coffee[J].Nat Commun, 2015 (06) :7618.
[3]Douglas AE, .Multiorganismal Insects:Diversity and Function of Resident Microorganisms.In:Berenbaum MR ed[J].Annual Review of Entomology, 2015, 17-34.
[4]Mourya DT, Soman RS.Effect of gregarine parasite, Ascogregarina culicis&tetracycline on the susceptibility of Culex bitaeniorhynchus to JE virus.The Indian journal of medical re search, 1985 (81) :247-250.
[5]Skidmore IH, Hansen AK.The evolutionary development of plant-feeding insects and their nutritional endosymbionts.Insect Sci, 2017, 24 (06) :910-928.
[6]Tsuchida T, Koga R, Fukatsu T.Host plant specialization governed by facultative symbiont.Science, 2004, 303 (5666) :1989.
[7]Wong AC, Chaston JM, Douglas AE, .The inconstant gut microbiota of Drosophila species revealed by 16S r RNA gene anal ysis.ISME Journal, 2013, 7 (10) :1922-1932.
[8]Zhao L, Lu M, Niu H, Fang G, Zhang S, Sun J.A native fungal symbiont facilitates the prevalence and development of an in vasive pathogen-native vector symbiosis.Ecology, 2013, 94 (12) :2817-2826.
[9]Y Yang, J Guo, C Long, H Liu, F Wan.Advances in endosymbionts and their functions in insects.Acta Entomologica Sinica, 2014 (01) :111-122.
[10]杨义婷, 郭建洋, 龙楚云, 刘怀, 万方浩.昆虫内共生菌及其功能研究进展[J].昆虫学报, 2014 (01) :111-122.
