改造后的蜜蜂腸道微生物能夠防治蜂螨和DWV

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蜜蜂研究所，北京 100093

在過(guò)去的幾十年中，蜂螨和病毒通常聯(lián)合起來(lái)威脅蜂群健康，蜂螨通過(guò)取食蜜蜂的脂肪體，不僅能夠使蜂群變?nèi)?，而且還能夠傳播疾病，如傳播殘翅病毒（DWV）引起疾病。

正如每一個(gè)讀這篇專欄的讀者所了解的那樣，在防治蜂螨和病毒方面，蜂農(nóng)使用的方法極其有限，如一兩種酸類，一些香精油，IPM（有害生物綜合防治）措施以及幾種合成的化學(xué)藥劑，雪上加霜的是，我們發(fā)現(xiàn)蜂螨已經(jīng)對(duì)合成的化學(xué)藥劑產(chǎn)生抗性，而一個(gè)令人振奮的消息是關(guān)于一種新的基因方法來(lái)防治螨類和病毒的開(kāi)創(chuàng)性研究剛剛發(fā)表。這篇發(fā)表在《自然》雜志的“改造共生體能夠激活蜜蜂的免疫力并限制病原菌”文章，作者是來(lái)自?shī)W斯汀的德克薩斯大學(xué)的肖恩-倫納德及其同事，目前倫納德是一位在南?！つm教授實(shí)驗(yàn)室工作的博士生。倫納德和其同事從基因方面修飾了蜜蜂體內(nèi)自然存在的腸道菌，從而“教”蜜蜂的免疫系統(tǒng)識(shí)別并消滅病毒和蜂螨。只要蜜蜂宿主接受這些工程微生物，它們就會(huì)產(chǎn)生RNA干擾（RNAi）分子來(lái)改變蜜蜂基因的表達(dá)和免疫力，從而得到這樣的結(jié)果。

這到底是什么意思呢？在大多數(shù)動(dòng)物包括蜜蜂和蜂螨的免疫系統(tǒng)中，RNAi是一種重要的組成成分。簡(jiǎn)言之，動(dòng)物免疫系統(tǒng)能夠檢測(cè)到由病毒產(chǎn)生的雙鏈RNA（dsRNA）分子（如由DWV產(chǎn)生的dsRNA），由于dsRNA分子是動(dòng)物產(chǎn)生疾病的一種信號(hào)，然后其體內(nèi)的免疫反應(yīng)將會(huì)啟動(dòng)檢測(cè)并消滅這些入侵者。蜜蜂的免疫系統(tǒng)“學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)”了該dsRNA分子的遺傳密碼，然后將其他所有具有相同遺傳密碼的分子作為靶標(biāo)并破壞它們。

之前已經(jīng)有研究表明在蜜蜂感染DWV病毒之前，如果飼喂含有特異性DWV的dsRNA能夠增加蜜蜂壽命并在受感染的蜜蜂體內(nèi)減少病毒含量，這表明RNAi能夠有效的“沉默”這些病毒。然而目前所面臨的問(wèn)題是如何為蜜蜂提供持續(xù)的dsRNA來(lái)源，以便其能夠?qū)⒏腥久鄯涞乃胁《径甲鳛榘袠?biāo)。

這就是倫納德和其同事所研究的真正突破點(diǎn)，直接取代持續(xù)飼喂蜜蜂dsRNA分子，作者改造了蜜蜂腸道中自然存在的細(xì)菌，從而使這些細(xì)菌能夠產(chǎn)生dsRNA分子。尤其是從基因上改造了其中一種腸道菌Snodgrassellaalvi（S.alvi），使其能夠不停的產(chǎn)生dsRNA分子從而為蜜蜂免疫系統(tǒng)將DWV和蜂螨作為靶標(biāo)做好準(zhǔn)備。

但是首先研究人員必須確?；蚋脑旌蟮腟.alvi能夠在蜜蜂腸道中存活并且產(chǎn)生能夠被蜜蜂組織吸收的分子。為了做到這一點(diǎn)，他們給蜜蜂飼喂經(jīng)過(guò)基因修飾的細(xì)菌S.alvi并產(chǎn)生了“非靶標(biāo)”的dsRNA分子作為這種概念的證據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)這些dsRNA分子在細(xì)菌棲息的腸道之外循環(huán)，同時(shí)直到在15天實(shí)驗(yàn)的最后時(shí)刻，他們?cè)诿鄯涞慕M織中檢測(cè)到了這些分子，這表明S.alvi產(chǎn)生的dsRNA在蜜蜂體內(nèi)能夠自我維持。此外經(jīng)過(guò)基因修飾的S.alvi菌株能夠通過(guò)社會(huì)性的相互作用在同一蜂箱中的蜜蜂之間傳播，因此在整個(gè)蜂群中構(gòu)建這種細(xì)菌可能僅需接種一小部分蜜蜂即可。

由此我們獲得了體內(nèi)含有從基因水平增強(qiáng)腸道菌產(chǎn)生dsRNA分子的蜜蜂，而且這種細(xì)菌也能夠傳播給其他蜜蜂，并在蜜蜂體內(nèi)持續(xù)存在超過(guò)兩個(gè)星期。目前的問(wèn)題是怎樣能夠?qū)⑦@種技術(shù)用于保護(hù)蜜蜂？下一步要做的是利用這種工具將病毒和蜂螨作為靶標(biāo)。殘翅病毒是一種廣泛分布的RNA病毒并且其感染工蜂后能夠引起翅膀畸形及減少工蜂的壽命。研究表明通過(guò)RNAi“沉默”DWV和其他病毒能夠提高蜜蜂的壽命和健康，但是必須持續(xù)提供dsRNA才能達(dá)到保護(hù)蜂群的效果。

因此，研究人員改造了S.alvi細(xì)菌使其能夠產(chǎn)生與DWV基因序列相匹配的dsRNA分子。為檢測(cè)它的效果，他們將DWV病毒注射到蜜蜂體內(nèi)，與沒(méi)有經(jīng)過(guò)基因修飾細(xì)菌飼喂的對(duì)照組蜜蜂相比，之前給蜜蜂飼喂改造后的細(xì)菌會(huì)不停的產(chǎn)生特異性DWV的dsRNA。在10天的觀察實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，蜜蜂腸道中含有在基因水平得到增強(qiáng)的微生物能夠產(chǎn)生特異性DWV的dsRNA，并且存活率也比對(duì)照組蜜蜂高約36.5%。

能夠?qū)⑻禺愋圆《厩贸?tīng)起來(lái)很不錯(cuò)，但是螨類能夠傳播許多不同的具有獨(dú)特遺傳密碼的病毒，那么將蜂螨消滅怎么樣？由于它們含有病毒并傳播疾病，所以在蜂群中的蜂螨水平通常能夠預(yù)測(cè)病毒的流行趨勢(shì)。蜂螨不僅與DWV有聯(lián)系，而且也與其他有害的病毒如IAPV和黑蜂王細(xì)胞病毒（BQCV）有關(guān)。因此作者下一步嘗試改造細(xì)菌的計(jì)劃是有道理的，其靶標(biāo)不僅是DWV的遺傳密碼，而且還有蜂螨的基因序列。

為了做到這一點(diǎn)，研究人員利用了蜂螨的免疫系統(tǒng)，因?yàn)檫@些寄生蟲(chóng)也是依靠RNAi來(lái)抵抗入侵者的。研究人員培養(yǎng)了一種新的能夠產(chǎn)生dsRNA的S.alvi細(xì)菌菌株，這種新菌株匹配了蜂螨中關(guān)鍵基因的遺傳密碼。由于蜂螨吸取蜜蜂的血淋巴，同時(shí)它們也會(huì)吸收那些蜜蜂體內(nèi)含有蜂螨特異性dsRNA的分子，而這些分子能夠引發(fā)螨類的免疫系統(tǒng)將所有與遺傳密碼相同的分子作為靶標(biāo)并破壞這些靶標(biāo)，甚至是它自身的遺傳密碼也會(huì)被破壞！

蜂螨特異性dsRNA能夠成功的欺騙蜂螨自身的免疫系統(tǒng)，因此它會(huì)攻擊并摧毀它自身。的確，這種方式對(duì)蜂螨死亡率的影響是顯著的。

這種結(jié)果聽(tīng)起來(lái)令人難以置信。這樣做的目的是什么？而且這對(duì)蜂農(nóng)來(lái)說(shuō)意味著什么？就像所有的轉(zhuǎn)基因生物一樣，在應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之前，它們必須經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)一步檢測(cè)以及監(jiān)管審查來(lái)判斷其安全性，因此不要期望明天就會(huì)有成包的轉(zhuǎn)基因細(xì)菌出售。而做出判斷的最重要一點(diǎn)是，在蜜蜂腸道以外的環(huán)境中，這種經(jīng)過(guò)基因改造的細(xì)菌是否能夠生存，以及是否存在這些細(xì)菌能夠傳播給非靶標(biāo)生物體的風(fēng)險(xiǎn)。細(xì)菌產(chǎn)生的dsRNA經(jīng)過(guò)特異性設(shè)計(jì)，能將病毒或者蜂螨的基因序列作為靶標(biāo)，而限制了非靶標(biāo)效應(yīng)的可能性。據(jù)我們了解，這種S.alvi細(xì)菌菌株僅能夠在蜜蜂的消化道中生存繁殖，而在其他蜂類和昆蟲(chóng)腸道中則不能，但是在實(shí)際應(yīng)用這種技術(shù)之前，必須通過(guò)進(jìn)一步的工作來(lái)評(píng)估這種可能性。

倫納德和其同事們的研究可能會(huì)為蜂農(nóng)的防治方法提供一個(gè)令人興奮的未來(lái)工具，利用這個(gè)工具可以持續(xù)的防治蜂螨和其傳播的疾?。ㄒ?jiàn)圖1，其是對(duì)以上主要調(diào)查結(jié)果的總結(jié)）。在蜜蜂腸道中一旦將基因工程菌構(gòu)建成功，或許能夠?qū)γ鄯溥M(jìn)行長(zhǎng)期保護(hù)。由于目前所有對(duì)蜂螨的處理都是短期有效并且需要重復(fù)使用，給養(yǎng)蜂帶來(lái)了較高成本，而這種可能性尤其令人興奮。

圖1 調(diào)查結(jié)果總結(jié)

此外，這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)令人興奮的方面是其適應(yīng)性（一語(yǔ)雙關(guān)）。的確，由于這種方法是一種保護(hù)性工作，病毒或者螨類是很難進(jìn)化出抗性的，或者如果它們進(jìn)化出抗性，通過(guò)改變細(xì)菌的靶標(biāo)序列并匹配上新的病毒/螨類基因序列的菌株就很容易克服掉這種抗性。

最后，由于蜜蜂是完全社會(huì)性昆蟲(chóng)，且它們彼此間聯(lián)系緊密，因此在蜂群中部分蜜蜂取食經(jīng)過(guò)基因修飾的細(xì)菌并使這些細(xì)菌在工蜂之間相互傳播從而使整個(gè)蜂群受到保護(hù)的方法是可行的。作者指出他們的研究還沒(méi)有解決這個(gè)問(wèn)題，需要做更多的研究來(lái)判斷是否轉(zhuǎn)基因細(xì)菌能夠在蜜蜂個(gè)體之間傳播并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)兩個(gè)星期。

總的來(lái)說(shuō)，倫納德和其同事們的最新研究是誘人的，且這項(xiàng)研究或許不僅僅可以用于蜜蜂，因?yàn)橛凶銐虻淖C據(jù)表明蜜蜂病毒能夠“滲透”到本地的其他蜂類和傳粉昆蟲(chóng)。最新的研究證明與周圍沒(méi)有蜂場(chǎng)的地方相比，有蜂場(chǎng)的地方，其附近的野生花和熊蜂更容易感染病毒，包括DWV，這表明蜜蜂可能是這種疾病模式在更廣泛的傳粉昆蟲(chóng)類群中傳播的驅(qū)使者。利用基因工程細(xì)菌保護(hù)蜜蜂不受蜂螨和其相關(guān)病毒的侵染，它們可能也會(huì)對(duì)野生傳粉昆蟲(chóng)起到保護(hù)作用，我們很期待看這種技術(shù)在將來(lái)如何繼續(xù)發(fā)展（希望不要太遙遠(yuǎn)）。