昆蟲共生菌及其在病蟲害防控中的應(yīng)用前景*

王四寶 曲 爽

中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院 植物生理生態(tài)研究所 上海 200032

昆蟲共生菌及其在病蟲害防控中的應(yīng)用前景*

王四寶 曲 爽

中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院 植物生理生態(tài)研究所 上海 200032

昆蟲的種類豐富多樣，其體內(nèi)棲息著大量的微生物。這些微生物與宿主昆蟲在長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化過(guò)程中形成了相互依存的共生關(guān)系。共生菌在昆蟲的營(yíng)養(yǎng)、代謝、免疫和生殖等諸多生理功能上發(fā)揮著重要作用，因此，昆蟲共生菌是昆蟲個(gè)體的重要組成部分，全面了解昆蟲生命活動(dòng)必須兼顧昆蟲共生菌的作用和影響。同時(shí)，昆蟲共生菌在開發(fā)害蟲新型生物防治、廢棄物生物降解和蟲媒傳染病的阻斷控制手段中具有重要的應(yīng)用前景。文章綜述了昆蟲共生菌的多樣性、生物學(xué)功能、與宿主相互作用的機(jī)制及其在病蟲害和蟲媒傳染病防治上的應(yīng)用，并對(duì)未來(lái)研究提出展望。

協(xié)同進(jìn)化，腸道菌群，共生菌，昆蟲—微生物互作，共生控制

DOI10.16418/j.issn.1000-3045.2017.08.008

昆蟲是地球上種類最為豐富的動(dòng)物類群，其生態(tài)習(xí)性多樣、分布廣泛，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類健康產(chǎn)生了重要的影響[1]。與所有動(dòng)物一樣，昆蟲體內(nèi)也棲居著種類繁多的微生物，它們直接或間接影響昆蟲的生理和健康，在昆蟲的進(jìn)化和物種多樣性的形成中發(fā)揮不可替代的作用。這些微生物主要以腸道菌群（gut microbiota）的形式定殖在消化道內(nèi)，參與了昆蟲絕大多數(shù)的生命活動(dòng)[2]，并在昆蟲的營(yíng)養(yǎng)、代謝和免疫等諸多生理功能上發(fā)揮重要作用，如調(diào)節(jié)腸道生理與穩(wěn)態(tài)平衡、從食物中攝取能量、輔助消化食物、合成重要的代謝產(chǎn)物、促進(jìn)免疫系統(tǒng)的發(fā)育與成熟、抵御寄生蟲和病原菌的入侵、協(xié)助種間與種內(nèi)通訊、影響交配和生殖等。同時(shí)，昆蟲腸道微生物的群落結(jié)構(gòu)和代謝活動(dòng)反過(guò)來(lái)也會(huì)受到宿主遺傳因子和腸道微環(huán)境等的影響，使得腸道菌群具有多樣性和昆蟲宿主的特異性。鑒于昆蟲腸道微生物的重要功能和應(yīng)用價(jià)值，腸道微生物的研究近年來(lái)受到各國(guó)學(xué)者的極大關(guān)注。國(guó)外學(xué)者已將腸道菌群當(dāng)作昆蟲的一個(gè)特殊“多功能器官”，作為昆蟲個(gè)體的重要組成部分。因此，若要全面了解昆蟲的生命活動(dòng)，必須兼顧昆蟲體內(nèi)微生物的影響。

近年來(lái)，隨著昆蟲腸道微生物結(jié)構(gòu)及功能研究的不斷深入，以昆蟲營(yíng)養(yǎng)生理、免疫與感染為中心而開展的昆蟲腸道微生物的研究越來(lái)越多。本文簡(jiǎn)要概述了昆蟲共生菌的研究進(jìn)展，重點(diǎn)圍繞昆蟲共生菌的多樣性、生物學(xué)功能、與宿主互作機(jī)制，以及其在病蟲害和蟲媒傳染病防治中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，并對(duì)未來(lái)研究提出展望。

1 昆蟲共生菌的多樣性

共生菌廣泛分布于昆蟲的各個(gè)部位，根據(jù)昆蟲種類和微生物類型的不同，共生菌在昆蟲體內(nèi)的位置和形式各異。昆蟲共生菌主要分為 2 種：外共生菌和內(nèi)共生菌。外共生菌是指生活在昆蟲細(xì)胞外的微生物，包括附著于昆蟲腸壁細(xì)胞和游離在腸腔的細(xì)菌；內(nèi)共生菌是指生活在昆蟲組織細(xì)胞內(nèi)的微生物，其中沃爾巴克氏體（Wolbachia）是迄今為止自然界中已知存在最為廣泛的革蘭氏陰性胞內(nèi)共生菌，約 65% 的昆蟲天然攜帶這種細(xì)菌[3]。外共生菌主要以腸道菌群的形式聚集于消化道內(nèi)。腸道菌群是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，包括細(xì)菌、真菌、病毒和原生動(dòng)物，其中細(xì)菌的種類最為豐富，也是昆蟲腸道微生物中數(shù)量最多的。昆蟲腸道結(jié)構(gòu)因種類不同存在較大差異，可能是昆蟲為適應(yīng)各種特殊生態(tài)位和食性而長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，這種協(xié)同進(jìn)化逐漸演化為昆蟲特定腸道部位定居特定腸道微生物的現(xiàn)象[4]。

昆蟲腸道中的微生物類群極其豐富，包括變形菌（Proteobacteria）、擬桿菌（Bacteroidetes）、厚壁菌（Firmicutes）、梭狀芽孢桿菌（Clostridia）、放線菌（Actinomycetes）、螺旋體（Spirochetes）和疣微菌（Verrucomicrobia）等菌群[5]。但不同類型的昆蟲在腸道菌群的組成上存在較大差異，等翅目昆蟲白蟻腸道微生物優(yōu)勢(shì)菌有擬桿菌、厚壁菌、螺旋體及變形菌。鱗翅目昆蟲腸道的優(yōu)勢(shì)菌為厚壁菌門腸球菌屬和變形菌；直翅目中，沙漠蝗腸道的優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門腸桿菌屬細(xì)菌；雙翅目蚊蟲的成蟲中，腸道內(nèi)主要以變形菌門的腸桿菌科細(xì)菌為主。

不同昆蟲的腸道微生物在數(shù)量上也存在很大差異。成年黑腹果蠅個(gè)體的腸道內(nèi)約有 105個(gè)細(xì)菌，成年蝗蟲個(gè)體的腸道內(nèi)約有 106個(gè)細(xì)菌，而成年蜜蜂個(gè)體腸道內(nèi)的細(xì)菌數(shù)量多達(dá) 109個(gè)。大部分以植物樹液為食的昆蟲腸道中細(xì)菌雖然很少，但這類昆蟲的腸道內(nèi)含有豐富的細(xì)胞內(nèi)共生菌。而以腐殖質(zhì)或木屑為食的昆蟲，如白蟻、蟋蟀、蟑螂和甲殼蟲等，其腸道微生物含量占宿主體內(nèi)總菌量的比例最大[6]。而諸如果蠅、蚊子、蚜蟲等腸道內(nèi)微生物含量相對(duì)較少的昆蟲則具有長(zhǎng)而窄的腸道，這種形狀的腸道可能有利于宿主更好地吸收營(yíng)養(yǎng)。

早期昆蟲腸道微生物的研究主要依賴于傳統(tǒng)的微生物分離培養(yǎng)和基于 16S rRNA 基因的 PCR-DGGE、RFLP、16S rRNA 探針及16S rRNA 克隆文庫(kù)測(cè)序等。有些昆蟲腸道微生物在體外培養(yǎng)較為困難，因傳統(tǒng)研究手段的限制，影響了這些未培養(yǎng)微生物的發(fā)現(xiàn)。隨著生物技術(shù)和高通量測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展，用于研究基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)以及代謝組學(xué)等多組學(xué)的新技術(shù)和新方法已開始應(yīng)用于腸道菌群結(jié)構(gòu)、功能蛋白組成、代謝活性及代謝通路等研究。這些新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有利于更好地了解昆蟲腸道微生物的多樣性和功能。

2 昆蟲共生菌的主要功能

2.1 昆蟲共生菌的營(yíng)養(yǎng)和物質(zhì)代謝功能

在長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化的過(guò)程中，昆蟲與腸道微生物形成了相互依存的共生關(guān)系。腸道菌群對(duì)于維持昆蟲正常的生長(zhǎng)發(fā)育和生理平衡具有重要作用。昆蟲為腸道微生物提供穩(wěn)定的生存環(huán)境和必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，腸道微生物也參與昆蟲的多種代謝過(guò)程，為昆蟲提供一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及消化復(fù)雜的碳水化合物。有些昆蟲可以適應(yīng)各種各樣的生態(tài)棲位，在營(yíng)養(yǎng)匱乏或食物難以消化吸收的條件下生長(zhǎng)繁殖，這其中昆蟲與微生物的營(yíng)養(yǎng)共生可能起著不可或缺的作用。

腸道微生物在營(yíng)養(yǎng)供給和物質(zhì)代謝上起到至關(guān)重要的作用，并通過(guò)這種方式影響昆蟲的發(fā)育和健康。腸道共生菌為一些昆蟲提供特定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，例如 B 族維生素、固醇和氨基酸等。例如腸道共生菌椿象紅球菌（Rhodococcus rhodnii）為宿主長(zhǎng)紅錐蝽（Rhodnius prolixus）提供維生素 B[7]。在食草性動(dòng)物的飲食中，氮元素往往是一個(gè)重要的缺陷因子，很多昆蟲依賴于具有固氮系統(tǒng)的益生菌來(lái)彌補(bǔ)其氮元素的缺乏。白蟻腸道中的共生菌不僅可以將宿主分泌的含氮廢物回收成高價(jià)值的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還可以直接吸收空氣中的氮?dú)膺M(jìn)行固氮作用[8]。蟑螂和一些食草螞蟻體內(nèi)存在能進(jìn)行氮循環(huán)合成基本氨基酸的內(nèi)共生菌。蟑螂在缺氮條件下可借助內(nèi)共生菌（蟑螂桿狀菌）來(lái)利用自身儲(chǔ)藏的含氮廢物尿酸，但蟑螂桿狀菌缺少編碼降解尿酸所必需的尿酸酶基因，據(jù)此推測(cè)其尿酸酶可能來(lái)源于其他腸道共生菌或宿主本身[9]。另外，蚜蟲共生菌 Buchnera 能產(chǎn)生多種必需氨基酸，以彌補(bǔ)蚜蟲單一吸食植物汁液導(dǎo)致的營(yíng)養(yǎng)不足[10]。

有些昆蟲基因組中缺少編碼降解復(fù)雜碳水化合物的代謝酶基因，腸道微生物可以幫助昆蟲分解這些難以消化的大分子物質(zhì)，促進(jìn)碳、氮的吸收和利用，使昆蟲能夠在營(yíng)養(yǎng)不均衡的環(huán)境下生存[11]，尤其是以植物木質(zhì)部和韌皮部為食的昆蟲，其腸道中通常含有大量與纖維素降解相關(guān)的微生物類群[12]。纖維素是一種豐富的碳源，但大多以晶體或非晶體的微纖維形式存在于植物細(xì)胞壁中，因而昆蟲很難利用這種碳源，需要共生微生物將纖維素降解成更簡(jiǎn)單的糖殘基。例如，在白蟻后腸定殖的細(xì)菌能產(chǎn)生多種葡聚糖酶，以幫助宿主將纖維素分解為葡萄糖。除此之外，常見的伊蚊共生菌 Serratia 和 Enterobacter 能夠分泌溶血酶，有利于促進(jìn)吸血后血液的消化[13]。在白紋伊蚊腸道分離得到的共生菌 Acinetobacter baumannii 和 Acinetobacter johnsonii 不僅參與血液的消化吸收，還參與花蜜的消化吸收[14]。由此可見，昆蟲是一個(gè)“超級(jí)生物體”，包含著昆蟲個(gè)體基因和微生物基因聯(lián)合參與的代謝。

昆蟲腸道微生物在解毒方面也扮演著重要角色。煙草甲（Lasioderm aserricorne）腸道中的共生酵母可以破壞宿主食物中的毒素，提高煙草甲對(duì)毒素的抵抗力。腸道微生物在對(duì)殺蟲劑的解毒過(guò)程中，能夠被誘導(dǎo)合成解毒酶，并通過(guò)礦化作用或共代謝過(guò)程，將殺蟲劑分解代謝為一種或幾種可被昆蟲吸收利用的代謝物。點(diǎn)蜂緣蝽（Riptortus pedestris）接觸到化學(xué)農(nóng)藥“殺螟松”時(shí)，腸道共生菌伯克氏菌（Burkholderia）可以幫助降解（殺螟松），從而提高宿主對(duì)化學(xué)殺蟲劑的抗性[15]。

2.2 共生菌影響昆蟲的生長(zhǎng)發(fā)育

一些昆蟲共生菌可以通過(guò)垂直傳播或從環(huán)境中被攝取等方式存在于昆蟲的世代中，并對(duì)宿主昆蟲的正常發(fā)育和繁殖至關(guān)重要。如中腸內(nèi)的伯克氏菌對(duì)于宿主點(diǎn)蜂緣蝽的生長(zhǎng)和繁殖起重要作用[16]。另外，去除腸道菌的果蠅雖然能夠存活，但果蠅的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)存在一定缺陷，主要表現(xiàn)為幼蟲生長(zhǎng)速率緩慢或者成蟲個(gè)體相對(duì)較小，這表明果蠅腸道共生菌在果蠅系統(tǒng)發(fā)育中起到重要作用。在自然條件下，果蠅主要以腐爛的水果為食，其腸道中含有大量的發(fā)酵微生物，其中最主要的是醋酸桿菌（Acetobacter）和乳酸菌（Lactobacillus）。研究證實(shí)，醋酸桿菌通過(guò)吡咯并喹啉醌依賴的乙醇脫氫酶（PQQ-ADH）參與調(diào)節(jié)宿主胰島素信號(hào)通路來(lái)促進(jìn)果蠅的系統(tǒng)發(fā)育[17]。

沃爾巴克氏體（Wolbachia）是常見的昆蟲細(xì)胞內(nèi)共生菌，能在蚊子生殖器官中定殖，通過(guò)胞質(zhì)不相容機(jī)制影響蚊子的生殖能力。感染 Wolbachia 的雄蚊與未感染或感染不同種或菌株的 Wolbachia 的雌蚊交配不能形成可發(fā)育的受精卵，因此可以通過(guò)釋放大量感染 Wolbachia 的雄蚊來(lái)抑制蚊子的種群數(shù)量[18]。除了 Wolbachia，其他細(xì)菌如 Bacillus 和 Staphylococcus 也能影響淡色庫(kù)蚊的產(chǎn)卵率[19]。

2.3 腸道微生物影響昆蟲行為

近期研究發(fā)現(xiàn)昆蟲腸道微生物也參與了昆蟲行為的調(diào)節(jié)。共生菌在昆蟲體內(nèi)可以合成或分解產(chǎn)生代謝物，某些代謝物會(huì)被宿主用來(lái)合成信息素或種間激素，從而影響昆蟲的行為。如沙漠蝗腸道共生菌——成團(tuán)泛菌（Pantoea agglomerans）能夠利用沙漠蝗消化廢棄產(chǎn)物中的木質(zhì)素衍生物香草蘭酸合成愈創(chuàng)木酚，而愈創(chuàng)木酚是沙漠蝗聚集信息素的前體，聚集信息素通過(guò)糞便揮發(fā)吸引更多的蝗蟲集群行動(dòng)[20]。與之相反，蝗蟲微孢子可以改變飛蝗聚集化學(xué)信息，從而阻止飛蝗的群集行為。通?；热嚎赡鼙灰唤M聚集信息素觸發(fā)和維持，這些信息素引起原本單獨(dú)行動(dòng)的蝗蟲聚集形成一個(gè)遷徙群。微孢子通過(guò)改變蝗蟲免疫系統(tǒng)和腸道的化學(xué)性質(zhì)，殺死大量參與合成蝗蟲聚集信息素的腸道微生物，從而擾亂了蝗蟲的神經(jīng)系統(tǒng)，誘導(dǎo)和保持群居行為的神經(jīng)遞質(zhì)（5-羥色氨和多巴胺）水平下降，使群居的蝗蟲回到獨(dú)居[21]。近年來(lái)，腸道微生物與昆蟲行為之間的密切關(guān)系越來(lái)越多地被發(fā)現(xiàn)和闡明，這對(duì)于發(fā)展新型害蟲防治策略具有非常重要的意義。

腸道微生物不僅可以通過(guò)合成信息素影響昆蟲的行為，還可以影響昆蟲的交配取向或偏好性。有關(guān)黑腹果蠅的研究發(fā)現(xiàn)，腸道共生菌能影響果蠅的交配取向[22]，果蠅更趨向與腸道菌群組成相似的異性個(gè)體進(jìn)行交配，這種交配選擇取向有可能最終導(dǎo)致新物種的形成[22]。針對(duì)金小蜂的一項(xiàng)研究證實(shí)了腸道共生菌能夠影響新物種的分化。研究者嘗試將 100 萬(wàn)年前發(fā)生種群分離的 2 種金小蜂進(jìn)行配對(duì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其后代無(wú)法存活。但去除腸道菌群后，這 2 種金小蜂的繁殖后代幾乎都能夠成活[23]。

2.4 共生菌具有保護(hù)昆蟲的作用

昆蟲在自然環(huán)境中會(huì)面對(duì)多種多樣的生存壓力，包括天敵的攻擊、病原菌和寄生蟲的感染，以及高溫和寒冷等逆境的脅迫。大量研究表明，共生菌除了為昆蟲宿主提供稀缺的營(yíng)養(yǎng)資源外，還可以保護(hù)宿主抵抗病原微生物和捕食者的侵害，也能夠協(xié)助昆蟲宿主耐受一定的不良環(huán)境。

體色通常作為一種重要的識(shí)別特征，對(duì)動(dòng)物的各種生命活動(dòng)有重要影響，例如物種識(shí)別、交配選擇、偽裝和警戒等。近年來(lái)，有研究表明昆蟲共生菌能夠控制昆蟲的體色，以保護(hù)昆蟲免受天敵的捕食。在豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）中發(fā)現(xiàn)了兼性內(nèi)共生菌——一種立克次氏小體（Rickettsiella），它能夠誘導(dǎo)蚜蟲合成綠色色素，使蚜蟲的體色由紅色變成綠色，這有利于蚜蟲躲避被傾向捕食紅色蚜蟲的天敵捕食。同時(shí)，這些體色由紅變綠的蚜蟲體內(nèi)還有變形桿菌屬的內(nèi)共生菌 Hamiltonella 和 Serratia，可以幫助豌豆蚜逃避寄生蜂的寄生。Rickettsiella 通常與上述 2 種共生菌同時(shí)存在于豌豆蚜體內(nèi)，這樣可以使綠色的蚜蟲能夠同時(shí)躲避天敵的捕食和寄生蜂的入侵[17]。

在昆蟲與致病菌的對(duì)抗中，共生菌發(fā)揮著重要作用。無(wú)菌處理的昆蟲比未處理昆蟲更易受到病原菌和寄生蟲的感染，這種共生菌抑制其他外來(lái)微生物定殖或增殖的現(xiàn)象稱為定殖抗力。研究發(fā)現(xiàn)，白蟻的共生菌具有氧化還原的能力，可抑制外來(lái)病原微生物的入侵[24]。果蠅 C 病毒（DCV）是一種無(wú)包膜 RNA 病毒，對(duì)黑腹果蠅表現(xiàn)出高致病性和致死性。但細(xì)胞內(nèi)共生菌 Wolbachia 感染果蠅能顯著降低由DCV造成的死亡率，并且去除Wolbachia 的果蠅對(duì) DCV 更加易感[25]。昆蟲共生菌的定殖抗力對(duì)病原真菌同樣有效，蟲疫霉真菌（Erynia）是豌豆蚜的一大天敵，當(dāng)內(nèi)共生細(xì)菌 Regiella insecticola 存在時(shí)，豌豆蚜對(duì)蟲疫霉菌的抗感染能力至少可提高 5 倍，即便是蟲霉菌感染并殺死了蚜蟲，其最終產(chǎn)生的孢子數(shù)量也會(huì)受到嚴(yán)重影響，只有正常狀況下的 1/10[26]。因此，內(nèi)共生細(xì)菌 R. insecticola 對(duì)整個(gè)蚜蟲群體起到了一定的保護(hù)作用。此外，腸道微生物在促進(jìn)昆蟲免疫系統(tǒng)發(fā)育，以及維持免疫系統(tǒng)的正常功能上同樣不可或缺。腸道菌群通過(guò)誘導(dǎo)宿主昆蟲產(chǎn)生抗菌肽，維持昆蟲正常的免疫能力，從而間接抵抗病原菌的感染。如腸道菌群可作為益生菌幫助蜜蜂抵抗芽孢桿菌的侵染[27,28]。

共生菌還可以通過(guò)產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物來(lái)保護(hù)宿主昆蟲免于被捕食。豌豆蚜的一大天敵是擬寄生蚜繭蜂（Aphidius ervi），豌豆蚜個(gè)體之間對(duì)擬寄生蚜繭蜂敏感性的差別，與其體內(nèi)某些共生菌的存在與否有直接關(guān)系，其中共生菌 Hamiltonella defensa 產(chǎn)生的毒素可直接殺死蚜繭蜂的幼蟲[29]。此外，白蟻體內(nèi)的共生菌能夠產(chǎn)生甲烷氣體來(lái)阻止螞蟻及其他天敵的捕食。毒隱翅蟲（Paederus）體內(nèi)的共生菌通過(guò)合成一種聚酮類有毒物質(zhì)隱翅蟲毒素（pederin），用以抵御狼蛛的捕食[30]。雌性歐洲狼蜂（Philanthus triangulum）依賴其觸角中的共生放線菌 Streptomyces 合成的抗生素來(lái)抵御致病真菌的感染[31]。

有研究發(fā)現(xiàn)，共生菌還可以通過(guò)保護(hù)“重要第三者”的方式，間接保護(hù)昆蟲宿主。切葉蟻與環(huán)柄菇科真菌的相互關(guān)系是共生關(guān)系研究的一個(gè)經(jīng)典案例。切葉蟻具有挑選并種植環(huán)柄菇科真菌使之作為食物來(lái)源的獨(dú)特能力，但環(huán)柄菇科真菌自身缺乏競(jìng)爭(zhēng)能力，當(dāng)其他真菌入侵并競(jìng)爭(zhēng)抑制環(huán)柄菇科真菌生存時(shí)，切葉蟻體表的一種鏈霉菌屬共生菌能夠產(chǎn)生抗真菌物質(zhì)殺死非環(huán)柄菇科真菌，從而保護(hù)切葉蟻與環(huán)柄菇科真菌之間的共生關(guān)系免遭破壞[32]。

昆蟲在自然環(huán)境中除了要面對(duì)各種天敵的威脅，還常面臨人類活動(dòng)諸如農(nóng)藥殺蟲劑大量使用所帶來(lái)的生存壓力。最近研究發(fā)現(xiàn)，在昆蟲與殺蟲劑的對(duì)抗中也有共生菌的身影。日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)土壤中少量存在一種可以降解殺蟲劑的布克氏菌（Burkholderia），豆科害蟲點(diǎn)蜂緣蝽及同屬的椿象可在幼蟲期從土壤中獲得這種共生菌；向農(nóng)場(chǎng)施放“殺螟松”能使這種菌在土壤中大量富集，并與點(diǎn)蜂緣蝽形成共生關(guān)系賦予其抗藥性[15]。除此之外，高溫等惡劣的自然環(huán)境也會(huì)威脅昆蟲的正常存活，研究證實(shí)共生菌對(duì)昆蟲的溫度耐受性具有一定貢獻(xiàn)。如蚜蟲的內(nèi)共生菌 Buchnera 能夠增強(qiáng)蚜蟲對(duì)高溫的耐受力——在高溫時(shí)期，蚜蟲內(nèi)共生菌 Buchnera 的感染率顯著提高，同時(shí)細(xì)菌中分子伴侶 GroEL 也在持續(xù)表達(dá)，這使得昆蟲宿主中的蛋白在高溫條件下維持穩(wěn)定[33]。共生菌介導(dǎo)的保護(hù)是一個(gè)已通過(guò)生態(tài)模型預(yù)測(cè)并且越來(lái)越多被觀察到的現(xiàn)象。共生菌為宿主昆蟲提供保護(hù)使得共生組合具有更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，有利于共生關(guān)系的穩(wěn)定維持。

3 昆蟲識(shí)別有益菌及抵御致病菌的調(diào)控機(jī)制

昆蟲的消化系統(tǒng)中存在著多層次的防御系統(tǒng)，這對(duì)于昆蟲腸道菌群的塑造非常重要，該防御系統(tǒng)能使昆蟲在識(shí)別有益菌的同時(shí)抵御致病菌。目前免疫學(xué)方面的研究大多集中于昆蟲如何抵御外來(lái)致病菌，而對(duì)于昆蟲是如何識(shí)別有益共生菌則知之甚少。眾所周知，大多數(shù)昆蟲中腸都具有圍食膜，是由中腸上皮細(xì)胞分泌形成的一種非細(xì)胞薄膜狀結(jié)構(gòu)，主要由幾丁質(zhì)、蛋白質(zhì)和多糖組成[34]。圍食膜具半滲透性，允許營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、消化酶和效應(yīng)分子等通過(guò)，同時(shí)還能保護(hù)昆蟲的上皮細(xì)胞層，使其不直接暴露于微生物或者毒素中，前腸和后腸上皮細(xì)胞上的黏膜可能也具有與圍食膜相似的保護(hù)功能。這些介于上皮細(xì)胞和內(nèi)腔之間的物理屏障在一定程度上減少了微生物對(duì)宿主的影響。除此之外，昆蟲自身的免疫系統(tǒng)也是一道重要的防線，昆蟲的先天免疫與哺乳動(dòng)物的免疫機(jī)制極為相似[35]。以黑腹果蠅為例，其共生菌主要通過(guò)誘導(dǎo)產(chǎn)生抗菌肽（AMPs）和合成活性氧分子（ROS）來(lái)增強(qiáng)腸道上皮細(xì)胞的免疫反應(yīng)。這 2 種誘導(dǎo)反應(yīng)都是典型的抗性機(jī)制，通過(guò)負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制及其他調(diào)控元件來(lái)精確調(diào)控昆蟲的免疫系統(tǒng)[27]。

昆蟲腸道中存在著大量的微生物，昆蟲腸道免疫系統(tǒng)如何區(qū)分有益共生菌和致病菌，又如何應(yīng)對(duì)免疫系統(tǒng)的持續(xù)激活？以果蠅為例，昆蟲腸道主要通過(guò)調(diào)節(jié) IMD 信號(hào)通路和 DUOX 系統(tǒng)的表達(dá)水平，從而獲得對(duì)有益腸道微生物類群的免疫耐受性。其中 IMD（immune deficiency，免疫缺陷）通路是通過(guò)轉(zhuǎn)錄抑制因子 Caudal 來(lái)抑制腸道中抗菌肽 AMPs 基因的轉(zhuǎn)錄[28]。同時(shí)，中腸上皮細(xì)胞分泌的酰胺酶可分解引發(fā)炎癥的 PGN（肽聚糖），使共生菌分泌的 PGN 維持在較低水平[36]。另外，Pirk 蛋白可以隔絕細(xì)胞質(zhì)中特異的 PGN 結(jié)合受體，從而減少定位到細(xì)胞表面的受體并且延遲 IMD 通路信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)[37]。另一個(gè) PGN 的結(jié)合蛋白 PGRP-LE 可能在果蠅腸道的免疫調(diào)節(jié)過(guò)程中也扮演重要角色：一方面對(duì)于致病菌的入侵，PGRP-LE 可誘導(dǎo)依賴于轉(zhuǎn)錄因子 Relish 的免疫反應(yīng)；另一方面還可通過(guò)調(diào)控酰胺酶和 Pirk 蛋白表達(dá)量的上調(diào)來(lái)確保免疫系統(tǒng)對(duì)有益菌的免疫耐受力[38]。

果蠅的 DUOX 系統(tǒng)也具有相似的調(diào)節(jié)機(jī)制。細(xì)菌的PGN 并不能單獨(dú)激活果蠅的 DUOX 通路，它需要微生物產(chǎn)生的 ROS 才能激活 DUOX 途徑。當(dāng)腸道內(nèi)含有偏利共生菌時(shí)，DUOX 基因的表達(dá)被 MKP3 抑制，從而抑制了 ROS 分子的合成。然而果蠅可以通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子誘導(dǎo) DUOX 酶的活性，所以 ROS 的含量仍維持在基準(zhǔn)水平。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，致病細(xì)菌產(chǎn)生的尿嘧啶作為配體在果蠅腸道中可激活 DUOX 途徑[39]。腸道共生菌可能進(jìn)化形成某種機(jī)制，在昆蟲腸道內(nèi)一般不合成尿嘧啶，因此這些共生菌便可區(qū)別于其他致病菌，在昆蟲的腸道中穩(wěn)定定殖且不會(huì)過(guò)度激活免疫反應(yīng)?？傊ㄟ^(guò)調(diào)節(jié) IMD 和 DUOX 這 2 條免疫途徑，可以有效地識(shí)別有益共生菌和抵抗有害的致病菌，從而使昆蟲腸道處于正常的生理狀態(tài)。

4 昆蟲共生菌在害蟲和疾病防治上的應(yīng)用

昆蟲與人類活動(dòng)密切相關(guān)，有些昆蟲嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類健康和生態(tài)環(huán)境。隨著對(duì)昆蟲共生菌研究的不斷深入，近年來(lái)，利用共生菌控制害蟲的策略受到廣泛關(guān)注。很多基于共生菌的害蟲控制理論被提出，有些已成功應(yīng)用。Wolbachia 是廣泛存在于節(jié)肢動(dòng)物的一類細(xì)胞質(zhì)遺傳的共生微生物，在很多昆蟲體內(nèi)具有生殖調(diào)控的作用，包括誘導(dǎo)胞質(zhì)不親和、孤雌生殖、雌性化和殺雄等，并能抑制蚊媒病毒的感染和縮短蚊蟲的壽命，在害蟲生物防治和阻斷蟲媒病的傳播上具有巨大的應(yīng)用潛力。利用具有雙向胞質(zhì)不親和的 Wolbachia 可以實(shí)現(xiàn)種群抑制，即以類似釋放不育雄性的方法來(lái)降低有害昆蟲種群。此外，也可以利用 Wolbachia 誘導(dǎo)孤雌生殖的作用，將 Wolbachia 轉(zhuǎn)接到害蟲天敵體內(nèi)，通過(guò)控制害蟲的生殖來(lái)達(dá)到防治害蟲的效果。自然條件下的蚊子群體中，僅在尖音庫(kù)蚊和少數(shù)種伊蚊體內(nèi)發(fā)現(xiàn)有 Wolbachia?？茖W(xué)家將 Wolbachia 引入埃及伊蚊，可以有效地抑制登革熱病毒的感染并縮短雌蚊的壽命，達(dá)到顯著降低埃及伊蚊傳播登革熱的媒介效能。通過(guò)顯微注射技術(shù)也已經(jīng)成功地得到感染 Wolbachia 的斯氏按蚊，并證實(shí) Wolbachia 能夠抑制瘧原蟲的發(fā)育[40]。另外，當(dāng) Serratia 和 Enterobacter 存在蚊子中腸時(shí)，能夠顯著抑制瘧原蟲在蚊子中腸內(nèi)的發(fā)育[41]。

蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis, Bt）是一種重要的微生物殺蟲劑。研究表明昆蟲腸道微生物在 Bt 的殺蟲過(guò)程中起著重要的作用。Bt 感染昆蟲時(shí)通常會(huì)造成宿主腸道上皮細(xì)胞的損傷，某些腸道共生菌特別是 Serratia 和 Clostridium 會(huì)通過(guò)宿主腸道的損傷處進(jìn)入血腔大量繁殖，進(jìn)而減弱宿主的免疫反應(yīng)，加快宿主的死亡[42]。松材線蟲是一種危害性極大的林業(yè)害蟲，它依賴于寄主松墨天牛進(jìn)行擴(kuò)散傳播，能引起最具危害性的病害之一——松材線蟲病。松材線蟲的危害性與其伴生細(xì)菌密不可分，其伴生菌的代謝物苯乙酸、苯甲酸、已苯酚、苯氫松柏醇和 10-羥基馬鞭烯酮是導(dǎo)致松樹萎蔫的致病毒素。最近研究發(fā)現(xiàn)，松材線蟲的一種伴生真菌能夠促進(jìn)松材線蟲的繁殖，并且大大增加了其后代中雌性個(gè)體的數(shù)量[43]。因此，進(jìn)一步闡明松材線蟲與其伴生菌之間的互作機(jī)制對(duì)于防治松材線蟲病有重要意義。

合成生物學(xué)的發(fā)展與昆蟲共生菌的研究融合出一種新的病蟲害防控策略——Paratransgenesis（轉(zhuǎn)基因共生菌），即通過(guò)對(duì)昆蟲共生菌進(jìn)行遺傳操作，使其作為基因表達(dá)載體對(duì)宿主產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)害蟲和蟲媒傳染病的防治。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)作為一個(gè)極具前景的防治手段用于阻斷媒介傳染病的傳播。錐蟲病由錐椿體內(nèi)病原微生物克氏錐蟲（Trypanosoma cruzi）引起，將抗錐蟲效應(yīng)基因轉(zhuǎn)入錐椿中腸共生菌——蝽象紅球菌（Rhodococcus rhodnii），由共生菌在錐椿中腸內(nèi)表達(dá)抗錐蟲效應(yīng)蛋白可以有效地抑制錐蟲的發(fā)育[44]。筆者研究團(tuán)隊(duì)最近將按蚊中腸常見共生細(xì)菌——成團(tuán)泛菌（Pantoea agglomerans）作為遺傳改造對(duì)象，利用大腸桿菌溶血素（HlyA）I 型分泌系統(tǒng)在成團(tuán)泛菌中分泌表達(dá) SM1、Scorpine、(EPIP)4等多種抗瘧效應(yīng)分子，并通過(guò)喂食將轉(zhuǎn)基因細(xì)菌引入按蚊中腸后能顯著抑制瘧原蟲的發(fā)育，這一新策略為控制瘧疾等蚊媒傳染病和植物蟲媒病的傳播提供了新的思路[45]。

5 展望

迄今，有關(guān)昆蟲腸道微生物的多樣性和功能等方面的研究已取得了一些進(jìn)展。但鑒于昆蟲種類和生活習(xí)性的多樣性，昆蟲共生微生物與宿主昆蟲之間的關(guān)系，以及共生微生物之間的相互作用呈現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性。有關(guān)腸道細(xì)菌的研究日益增多，但對(duì)其他腸道微生物類群了解甚少。由于絕大多數(shù)腸道微生物不易在體外培養(yǎng)，這極大地限制了對(duì)此類共生菌的發(fā)現(xiàn)和研究。宏基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)培養(yǎng)方法研究的缺陷，有助于更加深入地認(rèn)識(shí)昆蟲共生菌的多樣性。

在長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化的過(guò)程中，昆蟲與其體內(nèi)共棲微生物形成了密切的共生關(guān)系，它們相互影響、相互依賴、協(xié)同進(jìn)化。腸道微生物在昆蟲營(yíng)養(yǎng)代謝、免疫調(diào)節(jié)、抵御病原菌和調(diào)控昆蟲行為和生殖等方面都扮演著重要的角色。同時(shí)，昆蟲也能通過(guò)其自身的免疫系統(tǒng)識(shí)別有益共生菌和外來(lái)致病菌，維持健康的腸道菌群。隨著腸道微生物研究的不斷深入，對(duì)于昆蟲如何識(shí)別非致病菌、有益菌及致病菌將會(huì)有更多的了解和認(rèn)識(shí)，有利于更好地利用腸道微生物來(lái)保護(hù)益蟲和控制害蟲。

目前，昆蟲共生微生物與宿主昆蟲之間復(fù)雜的相互關(guān)系，以及共生微生物在昆蟲各種生理活動(dòng)中所起的具體作用和分子機(jī)制尚知之甚少，這些領(lǐng)域是未來(lái)研究的重點(diǎn)。近年來(lái)哺乳動(dòng)物腸道微生物的研究日益成熟，這為昆蟲腸道微生物—昆蟲宿主之間相互作用的研究提供了重要參考?；蚪M學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)以及微生物組等多組學(xué)的快速發(fā)展，為昆蟲共生菌—昆蟲宿主互作分子機(jī)制的研究提供了更為有效的手段。加強(qiáng)昆蟲共生微生物的研究，不但有利于理解昆蟲與微生物之間的相互關(guān)系，而且有助于從昆蟲腸道這一特殊環(huán)境中獲得特殊功能的微生物資源和基因資源，用于植物病蟲害的無(wú)公害防控、廢棄物的降解以及媒介傳染病的控制等。

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王四寶中科院上海生命科學(xué)院植物生理生態(tài)所研究員，博士生導(dǎo)師，研究組組長(zhǎng)。中科院“百人計(jì)劃”、上海市“浦江人才”獲得者。2007年博士畢業(yè)于中科院上海生命科學(xué)院；曾在美國(guó)馬里蘭大學(xué)昆蟲學(xué)系（2007—2009年）和美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)分子微生物與免疫學(xué)系（2009—2013年）從事博士后研究。主要研究昆蟲—腸道微生物—病原微生物相互作用的分子機(jī)理。研究成果發(fā)表在 PNAS，PLoS Pathogens，Trends in Technology 等學(xué)術(shù)期刊上。

E-mail： sbwang@sibs.ac.cn

Wang SibaoPrincipal Investigator and Professor of Institute of Plant Physiology and Ecology (SIPPE), Shanghai Institutes for Biological Sciences (SIBS), Chinese Academy of Sciences (CAS). He is a winner of CAS Hundred Talents Award and Shanghai Pujiang Talents Award. He obtained Ph.D. degree from Shanghai Institutes for Biological Sciences, CAS in 2007, and then did postdoc studies at University of Maryland (2007—2009) and Johns Hopkins University (2009—2013). He joined SIPPE as a Principal Investigator in 2013. His recent research interests focus on molecular interactions between insect host-gut microbiota-pathogens. Original research papers have been published in peer-reviewed journals like PNAS, PLoS Pathogens, Trends in Technology, among others. E-mail： sbwang@sibs.ac.cn

Insect Symbionts and Their Potential Application in Pest and Vector-borne Disease Control

Wang Sibao Qu Shuang
（Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China）

Insects are the most diverse and abundant group of organisms dominating terrestrial habitats, in terms of numbers of species. The evolutionary success of insects and their diversification into a wide range of ecological niches depends in part on the beneficial members of their associated microbiome. The insect is colonized by a complex population of microorganisms in a symbiotic relationship, which vary from bacteria to viruses, yeasts, and protists. These diverse microbial communities provide important physiological functions for the insect hosts in many ways, including provision of nutritional supplements, enhancement of digestive mechanism, tolerance of environmental perturbations, modulation of host immune homeostasis, protection from parasites and pathogens, modulation of vector competence, contribution to inter- and intra-specific communication, and influence of insect mating and reproduction. Conversely, the insect host can affect the microbial community. Therefore, the insect symbionts can no longer be ignored when studying insect biology and host-pathogen interactions. Insect symbionts have become promising in the development of novel tools for the biological control of insect pests, biodegradation of wastes and blocking thetransmission of insect-borne diseases. Here, we provide an overview on diversity of insect symbionts, the latest advance in the understanding of symbiotic relationships, interactions between insect and symbionts, and in developing novel strategies for controlling insect pests and vectorborne diseases. Finally, directions for future work are discussed.

coevolution, gut microbiota, symbiosis, insect-microbe interaction, symbiotic control

*資助項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB1101050 0），國(guó)家自然科學(xué)基金（31 472044）

修改稿收到日期：2017年7月21日