曾凌達(dá)， 劉 倩， 黃曉磊

(閩臺作物有害生物生態(tài)防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建農(nóng)林大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院， 福建 福州350002)

具有刺吸式口器的植食性昆蟲通常取食植物韌皮部汁液，但由于植物韌皮部汁液富含糖分卻缺乏必需氨基酸，因此植食性昆蟲體內(nèi)含有為其提供必需氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的共生菌。例如，蚜蟲類昆蟲本身不能合成多種必需氨基酸，如組氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、色氨酸、纈氨酸、精氨酸等，因此它們體內(nèi)存在一類專性胞內(nèi)共生細(xì)菌，該菌是呈卵形或球形的革蘭氏陰性菌，隸屬于γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、腸桿菌科(Enterobacteriaceae)、布赫納氏屬(Buchnera)(Munsonet al，1991)，其能夠?yàn)檠料x寄主提供必需氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，對于蚜蟲營養(yǎng)代謝和正常發(fā)育有重要貢獻(xiàn)(Munsonet al，1991；Douglas，1998；Sandstr?met al，1999；黃曉磊等，2011)。 初級內(nèi)共生菌一般存在于蚜蟲體內(nèi)特化的組織——含菌胞(bacteriocytes)(黃曉磊等，2011)。

蚜蟲體內(nèi)還存在一些次級內(nèi)共生菌(secondary endosymbiont) (表1)。 與初級內(nèi)共生菌一般存在于蚜蟲體內(nèi)特化的組織——含菌胞不同，次級內(nèi)共生菌在含菌胞周圍的鞘細(xì)胞、生殖細(xì)胞、血淋巴、絳色細(xì)胞等內(nèi)都有發(fā)現(xiàn)，其分布更為分散(Moranet al，2005b；Tsuchidaet al，2010)。 雖然次級內(nèi)共生菌含量相對較少，但對蚜蟲的生態(tài)行為有重要影響，例如幫助蚜蟲抵御寄生蜂和真菌的侵襲、影響宿主不同體色的形成、提供蚜蟲耐高溫特性等(Scarboroughet al，2005；Tkaczuket al，2007；Oliveret al，2008；Guayet al，2009)。 次級內(nèi)共生菌相關(guān)研究不但有助于揭示共生菌與昆蟲寄主的復(fù)雜關(guān)系，而且對理解內(nèi)共生菌在胞內(nèi)特化環(huán)境的演化有重要意義。

表1 蚜蟲主要次級內(nèi)共生菌多樣性及其生態(tài)功能Table 1 Diversity and ecological functions of main secondary endosymbionts in aphids

1 蚜蟲次級內(nèi)共生菌概述

相較于自由生活的細(xì)菌，次級內(nèi)共生菌在蚜蟲寄主體內(nèi)能夠生長增殖，能為蚜蟲寄主提供一定的功能，但與專性內(nèi)共生菌Buchnera與蚜蟲的嚴(yán)格共生關(guān)系不同，次級內(nèi)共生菌在蚜蟲體內(nèi)的存在很多時(shí)候是非必需的(Oliveret al，2003)。 根據(jù)野外調(diào)查，次級內(nèi)共生菌在蚜蟲種群中處于中等頻率，并且隨著時(shí)間和空間的變化，次級內(nèi)共生菌的種類和頻率也隨之浮動(dòng)，體現(xiàn)了一種權(quán)衡作用(Russellet al，2013；Weldonet al，2013)。

與初級內(nèi)共生菌Buchnera一樣，次級內(nèi)共生菌能夠在蚜蟲體內(nèi)實(shí)現(xiàn)由親代向子代的垂直傳遞。 Russellet al(2003)對蚜總科中15 個(gè)亞科的75 種蚜蟲體內(nèi)的次級共生菌進(jìn)行16S rDNA測序并構(gòu)建系統(tǒng)樹，發(fā)現(xiàn)次級內(nèi)共生菌在進(jìn)化樹上存在明顯的近期水平轉(zhuǎn)移。 次級內(nèi)共生菌被推測可能借助植物韌皮部汁液、寄生蜂產(chǎn)卵器等實(shí)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)移，但目前并沒有關(guān)于這些推測的直接證據(jù)(Darbyet al，2001；Oliveret al，2010)。

基因漂變和瓶頸效應(yīng)使得次級內(nèi)共生菌進(jìn)化速率要遠(yuǎn)高于親緣關(guān)系相近的細(xì)菌，同時(shí)由于蚜蟲體內(nèi)相對安全穩(wěn)定的環(huán)境，使得次級內(nèi)共生菌相當(dāng)數(shù)量的功能基因在共生演化過程中失活甚至丟失，進(jìn)而促使次級內(nèi)共生菌和蚜蟲之間的共生關(guān)系愈加密切，并促進(jìn)蚜蟲種群分化和物種形成(Bennettet al，2015)。 以下將主要從次級內(nèi)共生菌對蚜蟲寄主生態(tài)行為的影響與相關(guān)基因組進(jìn)化的角度對次級內(nèi)共生菌的研究展開綜述。

2 蚜蟲次級內(nèi)共生菌的生態(tài)功能

2.1 對蚜蟲生長發(fā)育的影響

普遍認(rèn)為，在蚜蟲生長發(fā)育過程中，初級內(nèi)共生菌Buchnera為蚜蟲提供必需氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)(Douglas，1998)。 但在大蚜亞科(Lachninae)長足大蚜屬(Cinara)物種中發(fā)現(xiàn)，Buchnera的基因存在大量精簡，無法合成維生素B2(riboflavin)，該功能被Serratia symbiotica、X-type、Rickettsia等次級內(nèi)共生菌取代(Gomez-Valeroet al，2004；Mesegueret al，2017；Russellet al，2017)。 這種多個(gè)次級內(nèi)共生菌協(xié)同提供營養(yǎng)的現(xiàn)象可能在長足大蚜屬分化的早期已經(jīng)形成，并隨著蚜蟲物種分化出現(xiàn)不同次級內(nèi)共生菌的替代現(xiàn)象。 另一種解釋則是已經(jīng)完成分化的部分長足大蚜物種分別感染了不同的次級內(nèi)共生菌(Mesegueret al，2017)。 但僅基于16S rDNA 片段開展進(jìn)化推斷仍有其局限性，因此在將來的研究中依然需要更多的基因和蚜蟲類群檢驗(yàn)相關(guān)假說。

提高種群中雌性個(gè)體比率對內(nèi)共生菌種群的繁衍是有效手段之一。 在一些昆蟲中，沃爾巴克氏體(Wolbachia)能造成胞質(zhì)不親和從而導(dǎo)致雄性致死現(xiàn)象，被認(rèn)為是“生殖操縱者”(Hurstet al，2000)。 然而溫帶臭蟲(Cimex lectularius)中的Wolbachia類似于蚜蟲初級內(nèi)共生菌Buchnera，具有提供生長發(fā)育所需求的營養(yǎng)物質(zhì)功能(Hosokawaet al，2010)。 有研究發(fā)現(xiàn)在中國荻草谷網(wǎng)蚜(Sitobion miscanthi)體內(nèi)普遍含有Wolbachia(Wanget al，2009a；Wanget al，2014)，但Wolbachia在該蚜蟲體內(nèi)是否具有營養(yǎng)功能尚有待檢驗(yàn)。

2.2 對蚜蟲天敵的抵御

爾埃蚜繭蜂(Aphidius ervi)是豌豆蚜的專性寄生天敵，寄生蜂產(chǎn)卵于蚜蟲體內(nèi)，幼蟲攝取寄主營養(yǎng)完成發(fā)育并破體羽化，最終導(dǎo)致被寄生的蚜蟲死亡(Oliveret al，2003)。 蚜蟲對于寄生蜂的防御分為生態(tài)防御和生理防御兩類(Schmidet al，2012)。 蚜蟲通過后足的揮舞或者身體的抖動(dòng)等行為警示并抵御寄生蜂，這些行為防御的有效性隨著蚜蟲蟲齡的增加而上升(Walkeret al，2003；Xuet al，2008)。 另一類則與蚜蟲本身的免疫系統(tǒng)和體內(nèi)次級內(nèi)共生菌有關(guān)。 Sandrocket al(2010)通過對歐洲不同地區(qū)48 組不同基因型豆蚜和豆柄瘤蚜繭蜂(Lysiphlebus fabarum)組合寄生實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同基因型蚜蟲對寄生蜂抗性并不明顯，暗示蚜蟲免疫系統(tǒng)對寄生蜂作用并不明顯。 Oliveret al(2003)研究發(fā)現(xiàn)豌豆蚜體內(nèi)的次級內(nèi)共生菌Hamiltonella defensa和Serratia symbiotica能提高豌豆蚜對爾埃蚜繭蜂的抗性，其中H. defensa抗性最強(qiáng)，S. symbiotica次之。H. defensa能致死蚜蟲體內(nèi)寄生蜂幼蟲，增加蚜蟲種群的存活率。 隨后的研究發(fā)現(xiàn)，H. defensa的基因組中存在噬菌體APSE 基因，編碼的毒素能夠使蚜蟲若蟲體內(nèi)的寄生蜂幼蟲畸形化并死亡(Moranet al，2005a；Oliveret al，2009)。 此外，H. defensa所提供的不同抗性水平與寄生蜂和內(nèi)共生菌的基因型有著密切聯(lián)系(Schmidet al，2012)，說明在漫長的演化中無論是內(nèi)共生菌還是寄生蜂都發(fā)生了一定程度的?；?/p>

2.3 對高溫的抗性

當(dāng)受到高溫?zé)崦{迫時(shí)，蚜蟲呈現(xiàn)生長延遲、繁殖速率下降、干重降低等現(xiàn)象，但有些次級內(nèi)共生菌能夠在蚜蟲高溫處理后增加寄主的生存率和繁殖率(Burkeet al，2011)。 Montlloret al(2002)通過微針注射建立感染次級內(nèi)共生菌S. symbiotica的豌豆蚜克隆，當(dāng)高溫處理后，未感染組豌豆蚜體內(nèi)含菌胞的數(shù)量下降為感染組的7%，高溫導(dǎo)致Buchnera大量削減并影響蚜蟲營養(yǎng)獲得，使其生理代謝紊亂并最終死亡。 而次級內(nèi)共生菌S. symbiotica的存在使得豌豆蚜在高溫下能保存70%的含菌胞(Montlloret al，2002)，證明了S. symbiotica能在高溫時(shí)對Buchnera起保護(hù)作用，并能增加高溫處理后豌豆蚜的繁殖率。 次級內(nèi)共生菌H. defensa和Regiella insecticola對高溫也有一定抗性，能增加熱處理后豌豆蚜的生存能力，但它們對高溫的抗性明顯低于S. symbiotica(Russellet al，2006)。 蚜蟲作為一類起源于北溫帶的昆蟲，當(dāng)向亞熱帶或熱帶地區(qū)擴(kuò)散時(shí)，高溫是阻礙其擴(kuò)散的重要原因之一，S. symbiotica似乎能夠幫助蚜蟲向低緯度地區(qū)的擴(kuò)散。

2.4 對蚜蟲真菌的抵御

Schmidet al(2012)發(fā)現(xiàn)R. insecticola能幫助豌豆蚜抵御新蚜蟲癘霉(Pandora neoaphidis)的侵襲。 此后相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)豌豆蚜次級內(nèi)共生菌X-type 也對新蚜蟲癘霉具有抗性，并且X-type對寄生蜂和高溫都有一定的抗性，但這些抗性并非在所有感染X-type 的蚜蟲中都有發(fā)現(xiàn)(Heyworthet al，2015)。 然而X-type 與螺原體屬(Spiroplasma)存在共感染情況，Spiroplasma能夠幫助蚜蟲抵御新蚜蟲癘霉的侵染(Lukasiket al，2013) 。 因此X-type 對真菌的抗性到底緣于增強(qiáng)了Spiroplasma的相關(guān)功能，還是它自身的功能，仍然需要進(jìn)一步研究。

2.5 對蚜蟲體色的相關(guān)調(diào)控

自然界中，體色在捕食者與被捕食者之間是一種重要的信息交流信號。 豌豆蚜一般分為綠色型和紅色型兩類，根據(jù)以往研究，瓢蟲傾向于取食紅色型豌豆蚜(Loseyet al，1997)，寄生蜂則傾向于寄生綠色型(Libbrechtet al，2007)。

有研究發(fā)現(xiàn)，蚜蟲通過在漫長的進(jìn)化歷史中將部分真菌基因整合到自身基因組中，從而能夠自我合成類胡蘿卜色素，紅色型個(gè)體中含有30 000 堿基區(qū)域負(fù)責(zé)此類色素的合成，但是在綠色型個(gè)體內(nèi)卻沒有發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域(Moranet al，2010)，這似乎說明蚜蟲的體色由蚜蟲基因決定。 然而，Tsuchidaet al(2010)發(fā)現(xiàn)次級內(nèi)共生菌Rickettsiella能夠改變豌豆蚜的體色，感染Rickettsiella能夠刺激豌豆蚜產(chǎn)生藍(lán)綠色的多環(huán)醌，從而將紅色型個(gè)體轉(zhuǎn)變成綠色，并且綠色程度與Rickettsiella密度呈正相關(guān)(Tsuchidaet al，2014)。

在豌豆蚜中H. defensa常伴隨Rickettsiella的感染，兩種次級內(nèi)共生菌在豌豆蚜體內(nèi)生態(tài)位類似，H. defensa能夠加強(qiáng)Rickettsiella對豌豆蚜色型的影響(Tsuchidaet al，2014)。 研究發(fā)現(xiàn)采采蠅中內(nèi)共生菌Wigglesworthia以及佛羅里達(dá)弓背蟻(Camponotus floridanus)的內(nèi)共生菌Blochmannia能夠抑制或修正寄主免疫系統(tǒng)的表達(dá)(Wanget al，2009b；Ratzkaet al，2013)，因此是否說明由于H. defensa對蚜蟲免疫系統(tǒng)的壓制間接促進(jìn)Rickettsiella感染成功率的提高，進(jìn)而造成色型的加深，還有待以后更深入的研究。

2.6 對蚜蟲寄主利用的影響

不同的植物能產(chǎn)生不同的次生代謝物，對于廣食性或者多食性的物種來說，如何降解不同植物上的有毒次生代謝物是利用多類寄主植物的前提。 Tsuchidaet al(2004)通過對日本豌豆蚜的調(diào)查和微針注射轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于野豌豆(Vicia sativa)，R. insecticola能夠增加豌豆蚜在白車軸草(Trifolium repens)上的表現(xiàn)。 然而，以美國加利福尼亞地區(qū)的豌豆蚜為對象，基于抗生素清除實(shí)驗(yàn)，Leonardo(2004)發(fā)現(xiàn)R.insecticola并不影響白車軸草上豌豆蚜的表現(xiàn)。 這兩項(xiàng)研究得出了沖突性的結(jié)果，暗示R.insecticola對蚜蟲寄主利用的影響具有復(fù)雜性(Ferrariet al，2007)。 此外，考慮到生活在白車軸草上的豌豆蚜更易被新蚜蟲癘霉寄生(Tsuchidaet al，2004)，R. insecticola對豌豆蚜在白車軸草上表現(xiàn)的提高究竟是由于其幫助蚜蟲抵御真菌的侵襲，還是其能夠直接影響豌豆蚜對寄主植物的利用，依然需要更多的驗(yàn)證(Oliveret al，2010)。

3 蚜蟲次級內(nèi)共生菌基因組研究進(jìn)展

相較于自由生活的細(xì)菌，內(nèi)共生菌的胞內(nèi)共生環(huán)境和垂直傳遞的特性導(dǎo)致其受到的瓶頸效應(yīng)更強(qiáng)，漂變和突變固定速率更快，因而造成了內(nèi)共生菌快速的進(jìn)化和基因組不斷精簡的現(xiàn)象。 Degnanet al(2009)測得H. defensa基因組由2 110 331 bp 的環(huán)狀染色體和59 034 bp 的質(zhì)粒組成，GC 含量分別為40.1%和45.3%，富含轉(zhuǎn)座子。 根據(jù)基因集，H. defensa能合成2 類必需氨基酸和7 類非必需氨基酸，表明H. defensa與寄主之間存在著長期的共生關(guān)系(Moranet al，2005a)。 與蚜蟲寄主類似，H. defensa所需的部分營養(yǎng)物質(zhì)也要從蚜蟲初級內(nèi)共生菌Buchnera獲得(Degnanet al，2009)。 與專性共生菌Buchnera不同，H. defensa能夠自主合成細(xì)胞壁等組織，并具有T3SS 分泌系統(tǒng)，這可能是H. defensa能夠入侵感染寄主的重要渠道(Degnanet al，2009)。

不同株型的內(nèi)共生菌的基因組也存在巨大差別，例如柏大蚜中次級內(nèi)共生菌S. symbiotica基因組的GC 含量約占52.1%，而在雪松長足大蚜中約為29.2%，柳瘤大蚜中則低至20.9%(Manzano-Marinet al，2016)。 碗豆蚜中S. symbiotica編碼基因占87.9%，相比之下柏大蚜和雪松長足大蚜中則大幅下降為53.4%和39% (Manzano-Marinet al，2016)。 這可能是由于長足大蚜屬物種與S. symbiotica在演化過程中形成了更加專性的營養(yǎng)共生關(guān)系，導(dǎo)致其基因組更加精簡。

近期也有研究發(fā)現(xiàn)豌豆蚜體內(nèi)的功能基因ldcA和rlpA來源于次級內(nèi)共生菌Wolbachia，并且在含菌胞內(nèi)高表達(dá)(Nikohet al，2009)，系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系也說明蚜蟲通過水平轉(zhuǎn)移從次級內(nèi)共生菌中獲得相關(guān)功能基因用于自身發(fā)育。 與初級內(nèi)共生菌Buchnera的基因組相對穩(wěn)定不同，次級內(nèi)共生菌的基因組往往具有更大變異(Oliveret al，2010)。 伴隨著越來越多次級內(nèi)共生菌基因組的獲得，我們將在重要功能基因的注釋和相關(guān)代謝途徑的解析方面取得更大進(jìn)展。

4 結(jié)語和展望

本文總結(jié)了蚜蟲體內(nèi)次級內(nèi)共生菌的相關(guān)研究進(jìn)展，從次級內(nèi)共生菌對蚜蟲生態(tài)影響、基因組進(jìn)化角度簡述了次級內(nèi)共生菌相關(guān)功能以及基因組的研究進(jìn)展。 雖然次級內(nèi)共生菌在蚜蟲體內(nèi)含量相對較少且分布規(guī)律不明顯，但它們對蚜蟲的體色、生殖、寄生蜂抗性等有著重要影響。 研究發(fā)現(xiàn)自然界中的蚜蟲常存在兩種或者兩種以上次級內(nèi)共生菌共感染的現(xiàn)象(Oliveret al，2006；Cockburnet al，2013)。 此外，研究發(fā)現(xiàn)蚜蟲體內(nèi)與革蘭氏陰性細(xì)菌有關(guān)的免疫基因，例如免疫缺陷(IMD)信號途徑、抗菌肽、肽聚糖受體蛋白等均存在明顯缺失(Gerardoet al，2010；Richardset al，2010；Bennettet al，2015)，同時(shí)次級內(nèi)共生菌的基因組也往往有明顯的精簡(Degnanet al，2009；Manzano-Marinet al，2016)，表明在長期的共生過程中無論是蚜蟲寄主還是內(nèi)共生菌都做出了“讓步”。 次級內(nèi)共生菌在蚜蟲體內(nèi)特定的胞內(nèi)環(huán)境中必然面臨著資源競爭和限制，那么不同次級內(nèi)共生菌之間的關(guān)系是拮抗還是協(xié)作，將來仍需要更多的研究。

從宏進(jìn)化角度看，內(nèi)共生菌或許能促進(jìn)蚜蟲寄主利用和種群分化，增加生物的多樣性，而在特定的時(shí)間尺度內(nèi)，內(nèi)共生菌與蚜蟲寄主之間更多朝著專性共生關(guān)系演化(Bennettet al，2015)。 伴隨著越來越多次級內(nèi)共生菌基因組的獲得，以及對更多基因的注釋及相關(guān)功能研究的深入，有助于進(jìn)一步了解內(nèi)共生菌、宿主、天敵乃至寄主植物之間的關(guān)系。