欒軍波, 王四寶

(1. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 沈陽(yáng) 110866;2. 中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心, 中國(guó)科學(xué)院植物生理生態(tài)所, 上海 200032)

昆蟲(chóng)與微生物之間存在多樣復(fù)雜的互作關(guān)系。昆蟲(chóng)共生微生物是指與昆蟲(chóng)宿主建立持久互作關(guān)系的微生物(Ishikawa 2003; Dale and Moran, 2006; Moran, 2006; Oliver and Martinez, 2014),這些微生物分布于昆蟲(chóng)的體表、腸道、血腔或者細(xì)胞內(nèi)(Douglas, 2015a),參與調(diào)節(jié)宿主昆蟲(chóng)的多種生理功能,如通過(guò)合成必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)昆蟲(chóng)的適合度,甚至保護(hù)昆蟲(chóng)免受天敵或病原物的危害(Oliver and Martinez, 2014; Douglas, 2015a)。昆蟲(chóng)微生物研究可為害蟲(chóng)防治和益蟲(chóng)利用提供新的思路,已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。我國(guó)學(xué)者根據(jù)農(nóng)林生產(chǎn)和蟲(chóng)媒傳染病防治的需求,已在昆蟲(chóng)微生物領(lǐng)域開(kāi)展了眾多基礎(chǔ)和應(yīng)用方面的研究,本專輯匯集了一些最新研究進(jìn)展。

本文在概述昆蟲(chóng)共生微生物研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)介紹本專輯論文所涉及的研究?jī)?nèi)容,并對(duì)昆蟲(chóng)共生微生物研究中值得關(guān)注的研究方向進(jìn)行了展望,供相關(guān)研究人員參考。

1 昆蟲(chóng)共生微生物研究概況

1.1 昆蟲(chóng)與微生物的共生關(guān)系

昆蟲(chóng)與微生物的共生關(guān)系曾只被理解為互惠互利,然而這種觀點(diǎn)并不恰當(dāng)(Douglas, 2015b)。有益或有害的作用常未被定量,或者隨著環(huán)境條件發(fā)生變化(Douglas, 2015b)。昆蟲(chóng)與微生物的共生關(guān)系包括互惠互利、偏利共生和寄生關(guān)系等(Ishikawa, 2003; Moranetal., 2008; Ebert, 2013; Douglas, 2015a; Perlmutter and Bordenstein, 2020)。需要注意的是,昆蟲(chóng)與微生物的共生關(guān)系不一定雙方同等受益。即便互惠互利關(guān)系對(duì)雙方而言也不總是對(duì)等的。昆蟲(chóng)或共生微生物通常會(huì)比對(duì)方獲得更多的益處。這種明顯的不公平是真實(shí)存在于昆蟲(chóng)與微生物的共生關(guān)系,還是由于我們對(duì)于這種生物學(xué)現(xiàn)象的理解不完全尚需更深入的研究。

1.2 昆蟲(chóng)共生微生物的組織分布

共生微生物在昆蟲(chóng)體內(nèi)的分布方式多樣。有些共生微生物分布在昆蟲(chóng)特化的細(xì)胞,如含菌細(xì)胞(mycetocyte/bacteriocyte)內(nèi),或分布于昆蟲(chóng)幾乎所有類型的細(xì)胞內(nèi)(不局限于特定的昆蟲(chóng)細(xì)胞),這被稱為細(xì)胞內(nèi)共生菌(intracellular symbionts)(Ishikawa, 2003; Moranetal., 2008; Douglas, 2015b, 2016; McCutcheon, 2021)。細(xì)胞內(nèi)共生菌侵染至少10%的現(xiàn)存昆蟲(chóng)物種,對(duì)宿主的生長(zhǎng)、發(fā)育和生殖等生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性產(chǎn)生調(diào)控作用(Baumann, 2005; Moranetal., 2008; Douglas, 2015a)。含菌細(xì)胞內(nèi)共生菌似乎已被宿主昆蟲(chóng)所馴化(Moranetal., 2008)。因此,含菌細(xì)胞內(nèi)共生菌與昆蟲(chóng)的關(guān)系類似于家畜與人類之間的關(guān)系(Ishikawa, 2003)。當(dāng)共生微生物分布于昆蟲(chóng)幾乎所有類型的細(xì)胞內(nèi)時(shí),這種胞內(nèi)共生菌稱之為“賓客微生物”(guest microbes)(Ishikawa, 2003)。此類胞內(nèi)共生菌與昆蟲(chóng)的關(guān)系類似于寄生蟑螂或家鼠與人類的關(guān)系,即它們單方面地從宿主中獲益(Ishikawa, 2003)。另一些共生微生物分布在昆蟲(chóng)的細(xì)胞外或體表,例如昆蟲(chóng)的表皮或腸腔,被稱為細(xì)胞外共生菌(extracellular symbionts)(Ishikawa, 2003; Douglas, 2015a, 2016; McCutcheon, 2021)。有學(xué)者將分布于昆蟲(chóng)體內(nèi)的共生菌稱為內(nèi)共生菌(endosymbionts)(Ishikawa, 2003)。然而,更多的學(xué)者將分布于昆蟲(chóng)細(xì)胞內(nèi)的共生菌稱為內(nèi)共生菌,而將分布于昆蟲(chóng)細(xì)胞外的共生菌稱為外共生菌(ectosymbionts)(Moran and Wernegreen, 2000; Moranetal., 2008; Douglas, 2016; McCutcheon, 2021)。

1.3 昆蟲(chóng)共生微生物的種類

昆蟲(chóng)共生微生物可以根據(jù)其演化歷史以及宿主與共生菌的專性相互依賴程度分為以下4類。

第1類,主要分布于宿主含菌細(xì)胞內(nèi),是昆蟲(chóng)生長(zhǎng)和發(fā)育必需的共生微生物,通常被稱為專性共生菌(obligate symbionts)(Dale and Moran, 2006; Moranetal., 2008; Douglas, 2015a)。專性共生菌來(lái)源于古老且特化的共生關(guān)系(Dale and Moran, 2006)。例如,蚜蟲(chóng)的化石記錄提示蚜蟲(chóng)和專性共生菌Buchnera的共生關(guān)系非常古老。Buchnera的16S rDNA序列比較分析表明最早的Buchnera感染可能發(fā)生在距今2億～2.5億年前(Moran and Baumann, 1994)。專性共生菌與昆蟲(chóng)之間存在協(xié)同進(jìn)化關(guān)系(Moran, 2006)。對(duì)昆蟲(chóng)及其專性共生菌的進(jìn)化分析顯示,專性共生菌的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)與宿主昆蟲(chóng)的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)一致(Ishikawa, 2003; Baumann 2005; Dale and Moran, 2006)。這表明,當(dāng)宿主昆蟲(chóng)的祖先獲得了一種專性共生菌后,昆蟲(chóng)與專性共生菌的共生關(guān)系會(huì)導(dǎo)致物種分化。現(xiàn)代專性共生菌在宿主內(nèi)的分布反映了其持續(xù)和長(zhǎng)期的母系傳播,而它們不能或者很少發(fā)生水平傳播(Ishikawa, 2003)?；蚪M退化是專性共生菌的典型特征(Dale and Moran, 2006; Moranetal., 2008; Moran and Bennett, 2014)。專性共生菌主要分布于動(dòng)物宿主的含菌細(xì)胞內(nèi)并能垂直傳播,從而產(chǎn)生松弛的選擇壓和遺傳漂移,這導(dǎo)致專性共生菌基因組經(jīng)歷不同程度的退化(Moran and Bennett, 2014)。專性共生菌基因組保留了DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯等遺傳信息處理相關(guān)的核心基因,卻丟失了細(xì)胞膜組成相關(guān)的基因(Dale and Moran, 2006)。專性共生菌基因組的退化似乎需要宿主的共適應(yīng)以替代或支持專性共生菌的功能。由于基因組退化,這些專性共生菌通常不能在體外培養(yǎng)。專性共生菌主要為宿主昆蟲(chóng)合成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

第2類,不限于分布于昆蟲(chóng)特定的細(xì)胞或組織,不是宿主生長(zhǎng)、繁殖和發(fā)育所必需的,但可能在特定條件下影響宿主生態(tài)學(xué)特征或調(diào)控宿主生殖的共生微生物,也被稱為兼性共生菌(facultative symbionts)(Dale and Moran, 2006; Moranetal., 2008; Oliver and Martinez, 2014; Douglas, 2015a)。兼性共生菌可能存在于昆蟲(chóng)含菌細(xì)胞內(nèi)、含菌細(xì)胞相鄰的鞘狀細(xì)胞、血淋巴、卵巢等組織和器官(Moranetal., 2008; Douglas, 2015a)。侵襲卵巢的兼性共生菌通?？梢源怪眰鞑?侵染唾液腺和中腸的兼性共生菌可能通過(guò)昆蟲(chóng)取食的植物在不同昆蟲(chóng)個(gè)體之間進(jìn)行水平傳播(Moranetal., 2008; Oliver and Martinez, 2014; Perlmutter and Bordenstein, 2020)。兼性共生菌的發(fā)生與昆蟲(chóng)的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)之間并沒(méi)有明顯的相關(guān)性,表明這些共生菌多次獨(dú)立地從不同譜系的微生物中獲取(Ishikawa, 2003; Baumann, 2005)。甚至在某一種昆蟲(chóng)內(nèi),兼性共生菌侵染率并不是100%,因?yàn)樗赡苁艿嚼ハx(chóng)的生物型或生境的影響而有所變異。這些證據(jù)表明,兼性共生菌與昆蟲(chóng)的共生關(guān)系是不穩(wěn)定的;與獲取專性共生菌相比,昆蟲(chóng)獲取兼性共生菌是較近期的事件(Dale and Moran, 2006)。此外,兼性共生菌在系統(tǒng)發(fā)生上也有很大的變異(Ishikawa, 2003)。盡管與專性共生菌(如Buchnera)一樣,大多數(shù)兼性共生菌屬于γ-變形菌綱,但也有一些兼性共生菌(如Rickettsia和Spiroplasma等)屬于其他菌綱或菌門(mén)。兼性共生菌與昆蟲(chóng)的共生關(guān)系形成得較晚,其進(jìn)化歷史較近(Dale and Moran, 2006)。兼性共生菌的基因組輕微或中等退化(Moran and Bennett, 2014)。由于基因組退化程度不大,有的兼性共生菌可以體外培養(yǎng)。有些兼性共生菌長(zhǎng)期分布于動(dòng)物宿主含菌細(xì)胞內(nèi),并能進(jìn)行垂直傳播,它們正向?qū)Ｐ怨采姆较蜻M(jìn)化。例如,粉虱含菌細(xì)胞內(nèi)的共生菌Hamiltonella和Arsenophonous能為宿主昆蟲(chóng)合成B族維生素,成為粉虱不可或缺的共生菌(Wangetal., 2020; Yaoetal., 2023)。

第3類,為腸道微生物群(gut microbiota),分布于宿主細(xì)胞外,主要由細(xì)菌組成,有些為真菌或其他真核微生物(Oliver and Martinez, 2014; Douglas, 2015a)。腸道微生物菌在昆蟲(chóng)中普遍存在,但不同種類昆蟲(chóng)的腸道微生物群多樣性存在顯著差異。昆蟲(chóng)與腸道菌群的關(guān)系在食木昆蟲(chóng)和社會(huì)昆蟲(chóng)中通常更加特異和?；?Oliver and Martinez, 2014)。一些昆蟲(chóng)腸道特征有利于微生物的定殖,其中包括:易于獲取食物相關(guān)的微生物細(xì)胞,可獲取營(yíng)養(yǎng),以及免受外部環(huán)境的脅迫(例如,干燥、紫外輻射)。然而,昆蟲(chóng)腸道也為攝取的食物微生物構(gòu)成多種挑戰(zhàn),其中包括:腸腔里不利的生理生化條件(氧氣含量、pH值、氧化還原電位等),分泌的消化酶,免疫相關(guān)化合物,腸內(nèi)含物蠕動(dòng)引發(fā)的生理失衡,以及昆蟲(chóng)蛻皮或變態(tài)時(shí)腸道環(huán)境的變化或喪失(Douglas, 2015a)。昆蟲(chóng)腸道的不同區(qū)域攜帶的微生物種群存在差異(Douglas, 2015a)。昆蟲(chóng)腸道菌群可以幫助宿主降解纖維素和其他植物聚合物,提供營(yíng)養(yǎng),循環(huán)和固定氮素,分解植物次生代謝物和農(nóng)藥,同時(shí)有助于宿主防御病原物(Oliver and Martinez, 2014)。

第4類,是與昆蟲(chóng)建立共生關(guān)系的環(huán)境微生物(environmental associates)(Oliver and Martinez, 2014; Douglas, 2015a)。這些環(huán)境微生物包括植物病原菌(真菌、細(xì)菌和病毒)、昆蟲(chóng)體表微生物等。

1.4 昆蟲(chóng)共生微生物的傳播

昆蟲(chóng)共生微生物可能通過(guò)多種方式傳播。其中,專性共生菌嚴(yán)格地進(jìn)行垂直傳播或母系傳播;兼性共生菌主要通過(guò)垂直傳播,并偶爾進(jìn)行水平傳播;腸道微生物通常從環(huán)境中獲取,也能通過(guò)昆蟲(chóng)個(gè)體的接觸傳播;環(huán)境微生物則通過(guò)環(huán)境以及昆蟲(chóng)個(gè)體之間的接觸進(jìn)行傳播(Ebert, 2013; Oliver and Martinez, 2014)。例如,蟬體內(nèi)的專性共生菌會(huì)從含菌細(xì)胞釋放到血淋巴中,然后通過(guò)內(nèi)吞作用進(jìn)入卵巢管端部的上皮栓細(xì)胞,之后經(jīng)過(guò)胞吐進(jìn)入卵黃周緣間隙。隨著卵黃周緣間隙中共生菌細(xì)胞數(shù)量的增加,卵黃膜開(kāi)始內(nèi)陷,最終形成一個(gè)由囊泡包裹的“共生菌球”(symbiont ball)(Wangetal., 2021)。煙粉虱Bemisiatabaci含菌細(xì)胞攜帶專性共生菌Portiera和Hamiltonella,這些共生菌會(huì)從粉虱的母代傳遞到子代(Luanetal., 2016)。同時(shí),煙粉虱含菌細(xì)胞可以通過(guò)母系遺傳進(jìn)行傳遞,確保細(xì)胞內(nèi)共生菌得以嚴(yán)格進(jìn)行母系遺傳(Luanetal., 2018)。兼性共生菌Rickettsia在煙粉虱卵子發(fā)育的早期,通過(guò)兩種途徑侵入宿主的卵巢管: 一是通過(guò)胞吞作用進(jìn)入卵巢管頂端的卵原區(qū),然后通過(guò)營(yíng)養(yǎng)管轉(zhuǎn)移到初生卵母區(qū);二是附著在含菌細(xì)胞的外圍,并伴隨著該細(xì)胞一同進(jìn)入初生卵母區(qū)(Shanetal., 2021)。

1.5 共生微生物對(duì)昆蟲(chóng)的影響

許多共生菌為宿主昆蟲(chóng)提供營(yíng)養(yǎng)或防御作用,呈現(xiàn)出明顯的互惠共生關(guān)系,這有助于共生菌維持生態(tài)資源(Moran, 2006; Douglas, 2015b)。同時(shí),許多共生菌還能侵染新的宿主,表現(xiàn)出病原菌的特性(Moran, 2006)。因此,很多昆蟲(chóng)共生菌兼具互惠共生和病原菌的特性(Moran, 2006)。

專性共生菌可以為宿主提供特定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),包括必需氨基酸、B族維生素和固醇,這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)宿主無(wú)法自行合成(Douglas, 2015a)。半翅目昆蟲(chóng)取食植物的韌皮部,然而植物韌皮部中必需氨基酸的含量不到全部氨基酸含量的20%(Douglas, 2006)。專性共生菌能夠?yàn)榘氤崮坷ハx(chóng)提供必需氨基酸(Husniketal., 2013; Russelletal., 2013; Sloanetal., 2014; Luanetal., 2015; Wilsonetal., 2015; Baoetal., 2021)。一些昆蟲(chóng)(例如稻飛虱和蟑螂等)的專性共生菌可將昆蟲(chóng)的氮代謝廢物再循環(huán)用于合成必需氨基酸(Sasakietal., 1996; Sabreeetal., 2009)。另外,植物韌皮部中也缺乏B族維生素(Wang and Luan, 2023)。專性共生菌Portiera與粉虱水平轉(zhuǎn)移基因panBC協(xié)作合成維生素B5(泛酸),泛酸能夠調(diào)控?zé)煼凼倪m合度(Renetal., 2021)。動(dòng)物血液也缺乏B族維生素,吸血昆蟲(chóng)采采蠅攜帶的專性共生菌Wigglesworthia、床虱專性共生菌Wolbachia以及蜱蟲(chóng)專性共生菌Coxiella,Rickettsia和Francisella能為宿主合成食物中缺乏的B族維生素(Hosokawaetal., 2010; Michalkovaetal., 2014; Snyder and Rio, 2015; Songetal., 2022)。專性共生菌還能幫助宿主降解復(fù)雜的植物多糖(Salemetal., 2017)。通過(guò)上述多種方式,專性共生菌有助于昆蟲(chóng)克服食物中的營(yíng)養(yǎng)缺乏或不均衡。

兼性共生菌在特定條件下影響宿主的生態(tài)學(xué)特征,包括耐溫性、抗寄生蜂或病原菌侵染、降解農(nóng)藥和傳播病毒等,還能降低或提高昆蟲(chóng)的適合度(Oliver and Martinez, 2014; Douglas 2015a)。例如,Hamiltonella能夠提高蚜蟲(chóng)對(duì)寄生蜂的抵抗能力(Oliveretal., 2009)。兼性共生菌通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)和空間、產(chǎn)生毒素和激活昆蟲(chóng)免疫系統(tǒng)等機(jī)制,幫助宿主對(duì)抗病原菌、寄生蜂和其他天敵(Douglas, 2015a)。有些兼性共生菌能夠幫助昆蟲(chóng)降解農(nóng)藥,或者能夠提高昆蟲(chóng)的抗藥性(Kikuchietal., 2012)。某些兼性共生菌能夠調(diào)控媒介昆蟲(chóng)傳播植物病毒或動(dòng)物病原物的能力(Walkeretal., 2011; Jiaetal., 2017)。此外,兼性共生菌Wolbachia能夠通過(guò)合成維生素B2(核黃素)和B7(生物素)來(lái)補(bǔ)充稻飛虱食料中所缺少的維生素,進(jìn)而提高稻飛虱的種群增長(zhǎng)(Juetal., 2020)。缺乏含菌細(xì)胞的兼性共生菌Hamiltonella影響后代雌性比例(Shanetal., 2019)。兼性共生菌Hamiltonella通過(guò)合成B族維生素,調(diào)控?zé)煼凼氖芫?從而影響后代雌性比例(Wang YBetal., 2020; Yaoetal., 2023)。

腸道菌群參與調(diào)節(jié)果蠅的營(yíng)養(yǎng)代謝、生長(zhǎng)與發(fā)育、感染防護(hù)、神經(jīng)活動(dòng)和行為等(Sharonetal., 2010; Shinetal., 2011; Storellietal., 2011; Jiaetal., 2021)。腸道菌群對(duì)斑翅果蠅Drosophilasuzukii的作用會(huì)根據(jù)果蠅生長(zhǎng)環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)的變化而表現(xiàn)出兩面性。在營(yíng)養(yǎng)匱乏食物上生長(zhǎng)的無(wú)菌斑翅果蠅幼蟲(chóng)無(wú)法正常發(fā)育為成蟲(chóng),需要腸道微生物提供蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)以完成幼蟲(chóng)發(fā)育,這顯示了共生菌對(duì)斑翅果蠅的積極作用。然而,在富營(yíng)養(yǎng)食物條件下,攜帶腸道微生物的斑翅果蠅在初羽化體型較小、重量較輕、壽命較短(Bingetal., 2018),這表明腸道微生物在富營(yíng)養(yǎng)條件下可能成為寄主生長(zhǎng)的負(fù)擔(dān),對(duì)宿主適應(yīng)性產(chǎn)生不利影響。桔小實(shí)蠅Bactroceradorsalis雄蟲(chóng)直腸中的芽孢桿菌可協(xié)助雄蟲(chóng)合成性信息素,高效引誘雌蟲(chóng)完成交配(Renetal., 2021)。家蠶Bombyxmori腸道微生物在營(yíng)養(yǎng)代謝和病害防控等方面發(fā)揮作用 (Liangetal., 2022; Zhang Xetal., 2022)。龜蟻屬Cephalotes昆蟲(chóng)依靠腸道微生物的代謝功能來(lái)彌補(bǔ)植物來(lái)源食物中缺乏的營(yíng)養(yǎng)元素(Huetal., 2018)。腸道微生物在蚊蟲(chóng)的生命周期和多種生理功能中扮演著至關(guān)重要的角色,如協(xié)助消化食物、調(diào)節(jié)代謝、生長(zhǎng)發(fā)育和免疫系統(tǒng),防御病原體定植和入侵,以及維持有益的共生關(guān)系等(Cirimotichetal., 2011; Wangetal., 2012; Coonetal., 2014; Guéganetal., 2018; Baietal., 2019; Scolarietal., 2019; Wuetal., 2019; Gaoetal., 2021; Fengetal., 2022)。因此,腸道微生物與蚊蟲(chóng)之間的相互作用對(duì)于蚊蟲(chóng)生命健康、環(huán)境適應(yīng)、蚊媒病原感染和傳播具有重要的影響,利用腸道共生菌阻斷蚊媒病原感染與傳播已成為蚊媒傳染病領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),已顯示出巨大的應(yīng)用前景(Gaoetal., 2020)。西方蜜蜂Apismellifera腸道內(nèi)棲息著大量的微生物,這些腸道共生微生物參與昆蟲(chóng)的營(yíng)養(yǎng)代謝、宿主免疫調(diào)節(jié)、大腦功能維持等生命活動(dòng)(Zhengetal., 2018)。蜜蜂腸道微生物與人體腸道微生物群落相似,宿主需要依靠腸道微生物來(lái)利用難降解的多糖,且簡(jiǎn)單的腸道菌群表現(xiàn)出特定的高效合作方式(Zhengetal., 2019)。蜜蜂腸道菌可以通過(guò)質(zhì)粒介導(dǎo)的水平轉(zhuǎn)移能夠獲得和傳播抗生素抗性基因,證明了蜜蜂腸道菌富集和傳播抗生素抗性基因的能力(Sunetal., 2022)。正常腸道菌定殖的蜜蜂氣味學(xué)習(xí)記憶能力顯著優(yōu)于無(wú)菌蜂,說(shuō)明腸道菌群對(duì)于蜜蜂的認(rèn)知和行為維持也至關(guān)重要(Zhangetal., 2022a)。白蟻在長(zhǎng)期的進(jìn)化和演變過(guò)程中,顯示出高效的木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化和利用的能力,其獨(dú)特且多樣的腸道共生微生物類群是白蟻消化植物木質(zhì)纖維素的基礎(chǔ)(Sunetal., 2014; Alietal., 2017, 2018, 2021, 2022; Gengetal., 2018; Lietal., 2021)。核磁共振、微生物宏基因組等分析表明,這些共生微生物具備甲烷氧化、氫氣氧化、生物固氮、抗病原微生物、促進(jìn)木質(zhì)纖維素等食物消化等生物學(xué)功能,進(jìn)而極大增升了白蟻的生態(tài)適合度(Lietal., 2016, 2023; Liuetal., 2019; Li and Greening, 2022)。農(nóng)業(yè)入侵害蟲(chóng)草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda幼蟲(chóng)能夠依靠取食聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)塑料薄膜存活。研究表明其腸道微生物群落在PVC降解中發(fā)揮著重要作用,腸道細(xì)菌克雷伯氏菌屬Klebsiella的解聚酶可降解PVC(Zhangetal., 2022b)。點(diǎn)蜂緣蝽Riptortuspedestris腸道菌Burkholderia和Serratia具有降解有機(jī)磷農(nóng)藥的能力,從而提高宿主對(duì)該類農(nóng)藥的抗性(Kikuchietal., 2012; Satoetal., 2021; Xiaetal., 2023)。金小蜂微生物群可以降解莠去津藥物,進(jìn)而造成金小蜂的抗藥性(Wang GHetal., 2020)。腸道微生物可以協(xié)助水虻降解廢棄物中的蛋白質(zhì)、多糖等大分子物質(zhì)供水虻利用,促進(jìn)水虻生長(zhǎng)、提高轉(zhuǎn)化效率;同時(shí)也可以協(xié)同水虻降解有害物質(zhì)如抗生素、真菌毒素等物質(zhì),并抑制有機(jī)廢棄物中的人畜共患病原菌(Caietal., 2018; Xiaoetal., 2018; Meijeretal., 2019; Yangetal., 2022; Zhang YPetal., 2022; Yuetal., 2023)。

建立互惠互利共生關(guān)系的環(huán)境微生物能為昆蟲(chóng)提供食物,介導(dǎo)食物獲取,抵抗植物防御反應(yīng)等(Zhang and Luanetal., 2012; Luanetal., 2013b; Oliver and Martinez, 2014; Douglas, 2015a)。例如,雙生病毒侵染可抑制煙草抗性水平,從而使煙粉虱減弱了解毒活動(dòng),節(jié)省了用于應(yīng)對(duì)植物抗性的能量,最終促使煙粉虱在患病植物上取食時(shí)種群增長(zhǎng)較在健康植株上取食時(shí)更快(Luanetal., 2013a, 2013b)。近期的研究表明,昆蟲(chóng)體表也存在大量的細(xì)菌,形成防御性的體表微生物群(ectomicrobiotas),具有拮抗病原真菌體表感染的活性和功能(Dengetal., 2022; Hongetal., 2022; Jankeetal., 2022)。以果蠅成蟲(chóng)為對(duì)象研究的表明,體表細(xì)菌多來(lái)源于糞便,這與昆蟲(chóng)在相同的環(huán)境中取食、排泄與活動(dòng)相關(guān)聯(lián),但不同于腸道微生物群結(jié)構(gòu),體表細(xì)菌多為革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌(Hongetal., 2022)。所以同植物和動(dòng)物個(gè)體類似,每頭昆蟲(chóng)均為一個(gè)復(fù)雜的、體內(nèi)體表存在共生微生物的共生體(holobiont)(Wuetal., 2023)。研究表明,通過(guò)體表感染的昆蟲(chóng)病原真菌可通過(guò)分泌抗菌肽,或具有抗菌活性的抗生素類化合物抑制昆蟲(chóng)體表細(xì)菌,促進(jìn)真菌感染(Sunetal., 2022a, 2022b; Hongetal., 2023a),從而形成病原真菌-體表微生物群-昆蟲(chóng)寄主的多重相互作用(Hongetal., 2023b)。

昆蟲(chóng)共生微生物研究方面可以參考的重要綜述有:Douglas(2015a)關(guān)于昆蟲(chóng)微生物的多樣性與功能;Douglas(2016)關(guān)于昆蟲(chóng)內(nèi)共生菌的功能;Lu等(2016)關(guān)于共生微生物在昆蟲(chóng)入侵中的作用;McCutcheon(2021)關(guān)于細(xì)胞內(nèi)有益微生物感染宿主的基因組學(xué)及細(xì)胞生物學(xué); Moran和Bennett(2014)關(guān)于微小基因組;Wilson和Duncan(2015)關(guān)于昆蟲(chóng)與營(yíng)養(yǎng)內(nèi)共生菌的基因組共進(jìn)化; Perreau和Moran(2022)關(guān)于昆蟲(chóng)與微生物共生關(guān)系的新進(jìn)展;Luan(2023)關(guān)于昆蟲(chóng)含菌細(xì)胞的適應(yīng)、發(fā)育和進(jìn)化。

2 本專輯論文主要研究?jī)?nèi)容

近年來(lái),我國(guó)學(xué)者在昆蟲(chóng)共生微生物方面開(kāi)展了很多研究,取得了可喜的進(jìn)展。我國(guó)在昆蟲(chóng)共生微生物研究有兩個(gè)特色:一是涉及的昆蟲(chóng)種類與農(nóng)林生產(chǎn)和人類健康密切相關(guān),如;褐飛虱Nilaparvatalugens、煙粉虱、豌豆蚜Acyrthosiphonpisum、小菜蛾P(guān)lutellaxylostella、斑翅果蠅、松墨天牛Monochamusalternatus、光臀八齒小蠹Ipsnitidus、黑翅土白蟻Odontotermesformosanus、蜜蜂、傳病蚊蟲(chóng)斯氏按蚊Anophelesstephensi和長(zhǎng)角血蜱Haemaphysalisiongicornis等;二是對(duì)于昆蟲(chóng)腸道微生物的研究較多,而對(duì)于細(xì)胞內(nèi)共生菌的研究較少。本專輯的論文是我國(guó)在昆蟲(chóng)共生微生物研究的重要組成部分,反映了最新研究進(jìn)展。本專輯包括13篇研究論文(包括11篇研究論文和2篇綜述),涉及等翅目、半翅目、鞘翅目、鱗翅目、雙翅目和膜翅目共6個(gè)目的昆蟲(chóng)及其攜帶的共生微生物。這些論文主要涉及以下3個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容。

2.1 昆蟲(chóng)共生微生物的分離鑒定

昆蟲(chóng)共生微生物的分離和準(zhǔn)確鑒定對(duì)于研究其功能至關(guān)重要。尹彩萍等(2023)采用涂布平板法從黑翅土白蟻腸道中分離出放線菌;通過(guò)形態(tài)學(xué)觀察和16S rRNA序列分析,確定了腸道放線菌的分類學(xué)地位,最終鑒定出鏈霉菌屬Streptomycessp.菌株。王渭霞等(2023)利用離體培養(yǎng)法從褐飛虱中分離獲得15株不同的共生細(xì)菌,其中包括2株源于IR56抗性種群的芽孢桿菌類共生細(xì)菌。付東冉等(2023)通過(guò)體外平板培養(yǎng)方法,成功分離獲得小菜蛾3齡幼蟲(chóng)腸道菌PxG45菌株;結(jié)合形態(tài)學(xué)、16S rDNA基因測(cè)序和生理生化測(cè)定,確認(rèn)了該菌株為成團(tuán)泛菌Pantoeaagglomerans。劉彩霞等(2023)通過(guò)宏基因組學(xué)和相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)等分析,鑒定了光臀八齒小蠹共生微生物群落中最重要的核心菌群,包括腸桿菌屬Enterobacter、白粉菌屬Erysiphe、叢枝菌根屬Rhizophagus和沃爾巴克氏菌屬Wolbachia。馬玲等(2023)總結(jié)了昆蟲(chóng)腸道微生物的鑒定方法,提出了多組學(xué)技術(shù)的聯(lián)合使用,如16S rRNA測(cè)序、宏基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué),以確保微生物鑒定與功能推測(cè)更為高效可靠。

2.2 影響昆蟲(chóng)共生微生物組成的生物和非生物因素

王渭霞等(2023)發(fā)現(xiàn)褐飛虱在取食添加共生芽孢桿菌的人工飼料后芽孢桿菌的豐度明顯增加,芽孢桿菌BPH-S36的引入能夠促進(jìn)褐飛虱腸道內(nèi)類酵母共生菌的豐度增加。孫想等(2023)揭示了煙粉虱卵黃原蛋白對(duì)自噬反應(yīng)的影響,進(jìn)而調(diào)控了細(xì)胞內(nèi)共生菌Rickettsia的豐度。顧宇彤等(2023)研究發(fā)現(xiàn),在攜帶松材線蟲(chóng)Bursaphelenchusxylophilus后,松墨天牛氣管內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生了改變,主要菌群由厚壁菌門(mén)(Firmicutes)乳桿菌目(Lactobacillales)轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃尉T(mén)(Proteobacteria)腸桿菌目(Enterobacterales),并且松墨天牛氣管細(xì)菌多樣性和豐度升高;沙雷氏菌屬Serratia和腸桿菌屬Enterobacter的豐度增加。高歡歡等(2023)發(fā)現(xiàn)人工飼料中添加葡萄糖顯著增加了斑翅果蠅腸道菌群多樣性指數(shù),同時(shí)醋桿菌屬Acetobacter、普羅維登斯菌屬Providencia和摩根氏菌屬M(fèi)organella的豐度也明顯增加。馬微微等(2023)發(fā)現(xiàn)在野外不良環(huán)境中生存的搖蚊幼蟲(chóng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室純水環(huán)境培養(yǎng)后,其腸道細(xì)菌群落的多樣性和基因功能均發(fā)生了顯著變化。宋陽(yáng)等(2023)對(duì)昆蟲(chóng)腸道微生物穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了綜述,提出昆蟲(chóng)腸道物理防御、免疫信號(hào)通路以及腸道共生菌群通過(guò)群體感應(yīng)在昆蟲(chóng)微生物群穩(wěn)態(tài)維持中發(fā)揮作用。

2.3 昆蟲(chóng)共生微生物的功能研究

尹彩萍等(2023)發(fā)現(xiàn)黑翅土白蟻腸道鏈霉菌屬Streptomycessp.菌株發(fā)酵液對(duì)4種供試菌表現(xiàn)出抗菌活性,特別是其乙酸乙酯萃取物對(duì)金黃色葡萄球菌Staphylococcusaureus具有強(qiáng)烈的抑制作用,分離自乙酸乙酯萃取物的β-玉紅霉素(β-rubromycin)被證明對(duì)金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制效果。王渭霞等(2023)的研究結(jié)果顯示,引入芽孢桿菌BPH-S36能顯著提高褐飛虱敏感種群TN1在抗性水稻IR56上的存活率。李月明等(2023)發(fā)現(xiàn)去除豌豆蚜體內(nèi)的兼性共生菌Serratiasymbiotica不會(huì)影響專性共生菌的含量,但會(huì)對(duì)豌豆蚜的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖造成負(fù)面影響。付東冉等(2023)發(fā)現(xiàn)成團(tuán)泛菌PxG45通過(guò)直接的抑菌作用影響小菜蛾對(duì)外界的適應(yīng)性。這種廣譜的抑菌作用可顯著抑制植物病原真菌的生長(zhǎng)。王會(huì)等(2023)發(fā)現(xiàn)黑水虻Hermetiaillucens具有降解金霉素的能力,為抗生素的環(huán)境降解提供了新的可能性。韋云等(2023)發(fā)現(xiàn)管氏腫腿蜂Sclerodermaguani親代雌成蜂攜球孢白僵菌后,不僅降低了自身繁殖力,還對(duì)后代的存活和發(fā)育產(chǎn)生了影響,揭示了共生微生物對(duì)昆蟲(chóng)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜影響。引外,馬玲等(2023)對(duì)昆蟲(chóng)腸道微生物功能研究的方法進(jìn)行了綜述,提出體外試驗(yàn)、微生物補(bǔ)充、菌群移植、沉默微生物相關(guān)基因等實(shí)驗(yàn)方法可以更準(zhǔn)確地驗(yàn)證微生物的功能作用。這些研究充分展示了生物和非生物因素對(duì)昆蟲(chóng)共生微生物組成的影響,為我們更好地理解昆蟲(chóng)與共生微生物之間復(fù)雜關(guān)系提供了重要線索。

3 小結(jié)與展望

昆蟲(chóng)-共生微生物互作研究是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域,涉及昆蟲(chóng)學(xué)、微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、化學(xué)、分子遺傳學(xué)、遺傳工程等領(lǐng)域,需要綜合運(yùn)用多學(xué)科技術(shù)手段,以揭示昆蟲(chóng)與共生微生物之間的互作機(jī)制,并將其應(yīng)用于害蟲(chóng)防治和益蟲(chóng)利用,以促進(jìn)作物和人類健康的提升。

目前,國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者正在深入研究昆蟲(chóng)腸道微生物的組成、功能以及共生微生物對(duì)宿主昆蟲(chóng)的影響。然而,昆蟲(chóng)共生微生物的種類復(fù)雜多樣,需要拓展昆蟲(chóng)-共生微生物互作體系的研究范圍。同時(shí),需要從昆蟲(chóng)與共生微生物互作的角度展開(kāi)更深入的研究。此外,結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)等技術(shù),加強(qiáng)對(duì)昆蟲(chóng)共生微生物在農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)保、醫(yī)藥和健康等領(lǐng)域的應(yīng)用。鑒于此,提出以下3個(gè)值得關(guān)注的研究方向,供同行參考。

3.1 昆蟲(chóng)細(xì)胞內(nèi)共生微生物的功能

目前已知至少有10%的昆蟲(chóng)物種攜帶細(xì)胞內(nèi)共生微生物(Baumann, 2005; Moranetal., 2008; Douglas, 2015b)。很多昆蟲(chóng)細(xì)胞內(nèi)共生微生物是宿主生長(zhǎng)和發(fā)育具有必不可少的作用(即專性共生菌)。另一些細(xì)胞內(nèi)共生微生物則在特定條件下影響昆蟲(chóng)生態(tài)學(xué)特征或調(diào)控昆蟲(chóng)生殖(兼性共生菌)(Dale and Moran, 2006; Moranetal., 2008; Oliver and Martinez, 2014; Douglas, 2015b)。在所有的昆蟲(chóng)共生微生物中,細(xì)胞內(nèi)共生微生物與昆蟲(chóng)的共生關(guān)系更古老且更為緊密(Dale and Moran, 2006)。然而,由于細(xì)胞內(nèi)共生微生物,尤其是專性共生菌,通常難以體外培養(yǎng),因此很多昆蟲(chóng)細(xì)胞內(nèi)共生微生物的功能尚不清楚,迫切需要加強(qiáng)對(duì)這些共生微生物功能的研究。

3.2 昆蟲(chóng)調(diào)控共生微生物的機(jī)制

昆蟲(chóng)與共生微生物的互作涉及共生微生物對(duì)宿主昆蟲(chóng)的影響以及昆蟲(chóng)對(duì)共生微生物的調(diào)控。雖然有關(guān)共生微生物對(duì)宿主昆蟲(chóng)影響已有較多研究,但關(guān)于昆蟲(chóng)如何調(diào)控共生微生物的機(jī)制卻知之甚少。這阻礙了我們對(duì)昆蟲(chóng)與共生微生物的互作機(jī)理和協(xié)同進(jìn)化的理解。未來(lái)需要深入研究昆蟲(chóng)如何調(diào)控共生微生物的結(jié)構(gòu)、豐度和傳播的分子和細(xì)胞學(xué)機(jī)制。

3.3 共生微生物的遺傳改造和應(yīng)用

對(duì)昆蟲(chóng)共生微生物進(jìn)行遺傳改造是理解和利用昆蟲(chóng)與微生物共生關(guān)系的關(guān)鍵(Elstonetal., 2022)。例如,通過(guò)遺傳改造蚊子腸道共生菌Serratia,使其表達(dá)抗瘧原蟲(chóng)蛋白,可有效阻斷蚊媒病原的感染與傳播(Wangetal., 2017)。類似地,通過(guò)遺傳改造蜜蜂腸道菌Snodgrassellaalvi,使其表達(dá)dsRNA,可有效抑制蜜蜂螨蟲(chóng)的寄生(Leonardetal., 2020)。然而,目前能夠成功進(jìn)行遺傳改造的昆蟲(chóng)共生菌大多能在體外培養(yǎng),并且多為兼性共生菌。通過(guò)遺傳改造昆蟲(chóng)共生微生物,有望為農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)防治、醫(yī)學(xué)害蟲(chóng)控制和保護(hù)傳粉昆蟲(chóng)等開(kāi)辟新的途徑(Elstonetal., 2021; Perreau and Moran, 2022)。盡管目前在實(shí)驗(yàn)室條件下已對(duì)一些昆蟲(chóng)共生微生物進(jìn)行了遺傳改造,但還需要將這些遺傳改造后的共生微生物應(yīng)用于野外環(huán)境,以驗(yàn)證其實(shí)際效果(Elstonetal., 2021; Wang and Luan 2023)。