動(dòng)物鼠疫周期流行的生態(tài)位影響因素研究進(jìn)展

秦婧靚，楊瑞馥，崔玉軍

傳染病是病原微生物或寄生蟲感染人體后產(chǎn)生的具有傳染性的疾病，可在人群中傳播與流行[1]。地理、氣候、社會(huì)因素等對(duì)傳染病的流行及靜息均可產(chǎn)生影響。若該傳染病在當(dāng)?shù)匾恢碧幱谕Ｏ顟B(tài)但沒(méi)有被根除，認(rèn)為其處于靜息期(latent enzootic phase)；若該病發(fā)病率顯著高于歷年一般水平時(shí)，則認(rèn)為該病處于流行期(epizootic phase)[1]。鼠疫(Plague)是我國(guó)法定的甲類傳染病，其發(fā)病急、傳染性強(qiáng)，治療不及時(shí)病死率高，不依賴于人類而獨(dú)立存在于自然疫源地中[2]。在鼠疫自然疫源地中，可觀測(cè)到鼠疫存在周期性流行，即流行期與靜息期發(fā)生交替的現(xiàn)象。但是交替周期并不固定，其中靜息期的時(shí)間跨度可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年或更久。如：我國(guó)廣西鼠疫靜息53年后，于2000年7月在隆林縣天生橋庫(kù)區(qū)及周邊發(fā)生動(dòng)物間疫情，并波及人間[3-4]。云南省動(dòng)物間鼠疫于1982年在滇西復(fù)燃，隨后滇南、滇中、滇東也出現(xiàn)疫情。其中普洱、思茅、石屏、宜良縣鼠疫疫源地分別靜息72年、93年、100年、134年后又開始活躍并出現(xiàn)人間疫情[5]。

生態(tài)位(niche)是有機(jī)體種群對(duì)所生存環(huán)境條件的耐受性和生境資源需求的綜合。鼠疫生態(tài)位包括疫源地的環(huán)境、宿主、媒介等因素[6]。值得注意的是：鼠疫耶爾森菌(Yersiniapestis，簡(jiǎn)稱鼠疫菌)本身也是鼠疫生態(tài)位中重要一環(huán)。鼠疫菌會(huì)通過(guò)對(duì)媒介/宿主的影響，改變生態(tài)位的整體平衡。在適宜生態(tài)條件下，鼠疫菌、宿主動(dòng)物、媒介生物的種群數(shù)量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，鼠疫菌可進(jìn)行穩(wěn)定的定植和傳播，導(dǎo)致鼠疫在動(dòng)物間流行。而當(dāng)生態(tài)位的動(dòng)態(tài)平衡被破壞時(shí)，動(dòng)物間鼠疫就可能靜息或者隨宿主、媒介遷徙溢出到其他地區(qū)[7]。現(xiàn)有研究表明動(dòng)物間鼠疫周期性流行特征的出現(xiàn)與鼠疫自然疫源地生態(tài)位的動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)[8-9]。例如中世紀(jì)鼠疫大流行時(shí)，歐洲大部分地區(qū)存在鼠疫疫情，但嚙齒類動(dòng)物種群改變[10]；居民生活水平提高[10-11]；動(dòng)物棲息地喪失和工業(yè)化發(fā)展[12]等因素破壞原生態(tài)位的動(dòng)態(tài)平衡，則使歐洲鼠疫菌滅絕，疫源地消失[13]。本文將從影響鼠疫自然疫源地生態(tài)位穩(wěn)定的主要因素入手，對(duì)宿主動(dòng)物、蚤類媒介、土壤、鼠疫菌多樣性及人類活動(dòng)5個(gè)方面的相關(guān)研究進(jìn)行梳理總結(jié)(圖1、表1)。

表1 影響動(dòng)物間周期性鼠疫流行的主要因素Tab.1 The key factors affecting periodic plague epizootics

1 宿主動(dòng)物與生態(tài)位

目前，世界上共發(fā)現(xiàn)2 369種嚙齒類動(dòng)物[14], 截至2017年8月底，我國(guó)記錄在冊(cè)嚙齒目達(dá)到9科78屬220種[15]，染疫嚙齒類動(dòng)物53種[16]，傳播鼠疫菌的主要宿主動(dòng)物(鼠類)有14種[17]，分布于我國(guó)北部、西北部、西南部及東南沿海地區(qū)[18]。嚙齒類動(dòng)物作為鼠疫菌的主要宿主，對(duì)維持鼠疫自然疫源地生態(tài)位的動(dòng)態(tài)平衡具有重要作用。我國(guó)鼠疫歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，動(dòng)物間鼠疫流行及靜息與該疫源地主要宿主動(dòng)物的密度有直接的關(guān)聯(lián)。研究人員通過(guò)對(duì)甘寧阿拉善黃鼠疫源地50年間鼠疫疫情進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該疫源地發(fā)生的3次動(dòng)物間鼠疫流行期的年均鼠密度顯著高于靜息期平均值，流行期當(dāng)?shù)攸S鼠年均密度均高于1只/hm2[19]。高少坤等[20]發(fā)現(xiàn)河北省鼠疫自然疫源地1993-1995年、2001-2005年宿主動(dòng)物密度明顯高于1981-2013年的平均水平，使鼠疫在動(dòng)物間流行可能性增大，影響了鼠疫疫情的發(fā)生和發(fā)展。也有學(xué)者認(rèn)為外來(lái)物種介入會(huì)對(duì)疫源地生態(tài)位的相對(duì)平衡產(chǎn)生影響，如：被鼠疫感染的鳥類或其他物種進(jìn)入處于靜息期或鼠疫非流行地區(qū)時(shí)，會(huì)引起該疫源地鼠疫再次流行[21]。

2 媒介生物與生態(tài)位

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界已發(fā)現(xiàn)蚤類2 500余種和亞種，分別隸屬于5總科16科238屬。我國(guó)已發(fā)現(xiàn)4總科10科75屬655種和亞種[22]，傳播鼠疫菌的主要媒介昆蟲(蚤類)有28種[23]。蚤類作為鼠疫菌傳播的主要媒介及儲(chǔ)存宿主，主要通過(guò)在不同宿主間吸血傳播鼠疫菌。蚤類密度增高不僅會(huì)增加對(duì)宿主的叮咬次數(shù)，而且提高了鼠疫菌在宿主間的傳播概率，對(duì)疫源地內(nèi)動(dòng)物間鼠疫流行和鼠疫菌延續(xù)起重要作用[24]。在漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化中，蚤類與宿主形成寄生或共生關(guān)系，蚤類數(shù)量的變化往往又受宿主數(shù)量的影響。前期研究表明：體蚤指數(shù)與鼠密度呈正相關(guān)關(guān)系，鼠密度增加則體蚤指數(shù)相應(yīng)增高[25]。若生態(tài)環(huán)境改變，疫源地的主要宿主動(dòng)物隨之變化，也間接影響了相應(yīng)的主要寄生蚤數(shù)量及分布。此外，鼠疫生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定還與蚤類群落其他結(jié)構(gòu)指標(biāo)密切相關(guān)。葉超等[26]研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)噶爾盆地大沙鼠疫源地內(nèi)寄生蚤對(duì)大沙鼠的侵染能力(染蚤率)和寄生數(shù)量(總蚤指數(shù))的季節(jié)性變化與該地鼠疫季節(jié)性的流行特征一致。與此同時(shí)，蚤類群落的多樣性和豐富度增高、優(yōu)勢(shì)度降低。這些結(jié)構(gòu)指標(biāo)的變化有利于維持疫源地生態(tài)位的動(dòng)態(tài)平衡。

3 土壤與生態(tài)位

土壤是微生物的聚集地，它與宿主、媒介構(gòu)成的小型生態(tài)系統(tǒng)共同維持鼠疫菌生命的延續(xù)[27]。鼠疫菌能夠在土壤中生存，其與含鹽量、含水量、金屬元素等土壤特性息息相關(guān)。相對(duì)濕潤(rùn)、中等鹽堿的土壤不僅為微生物和地表動(dòng)物的生存和繁殖提供了有利條件，而且益于鼠疫菌在疫源地的長(zhǎng)期保存[28]。此外，土壤中的金屬元素(例如鐵、鈣)可參與調(diào)節(jié)自然界中動(dòng)物感染鼠疫的過(guò)程[29]，促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)，增強(qiáng)其毒力[30]，提高鼠疫菌感染宿主的能力[31]。但金屬元素過(guò)量或缺乏都會(huì)影響細(xì)菌的生存和繁殖，鼠疫菌對(duì)各類金屬元素的攝取應(yīng)受到精確調(diào)控[32]。當(dāng)疫源地內(nèi)土壤條件適宜、微生物種類豐富、金屬離子濃度相對(duì)平衡時(shí)，有利于宿主或鼠疫菌生存，可能促進(jìn)鼠疫發(fā)生或流行。而暴雨洪澇等極端氣候可使土壤鹽度、含水量、金屬離子濃度發(fā)生變化，有可能導(dǎo)致鼠疫疫源地局部滅絕或進(jìn)入靜息期[33]。

4 “外延的表型”：鼠疫菌遺傳變異與生態(tài)位

“外延的表型”(extended phenotype)是理查德道金斯在1982年提出的概念，強(qiáng)調(diào)基因作為被選擇的基本單元，可在生物體外產(chǎn)生表型效應(yīng)(通過(guò)基因組變異造成個(gè)體周圍環(huán)境改變)[34]，并且能夠延伸至更廣泛的環(huán)境或其他個(gè)體中。例如鳥巢就是鳥類基因組通過(guò)某種形式所編碼的具體實(shí)物。我們的研究表明，細(xì)菌中也存在類似現(xiàn)象[35]。因此，鼠疫菌遺傳多樣性能夠通過(guò)“外延的表型”機(jī)制，與生態(tài)位發(fā)生作用。

4.1 鼠疫菌基因組多樣性對(duì)生態(tài)位的影響和關(guān)聯(lián) 鼠疫菌可以在蚤類前胃中形成生物膜，從而阻礙血液進(jìn)入蚤類消化道，使其一直處于饑餓狀態(tài)，吸血行為更為頻繁，最終促進(jìn)鼠疫菌的快速播散[36-37]，其可通過(guò)遺傳變異調(diào)節(jié)與蚤體內(nèi)生物膜形成相關(guān)的表型，從而改變鼠疫菌經(jīng)蚤傳播能力，以適應(yīng)生態(tài)環(huán)境選擇壓力[35]。rpoZ基因主要編碼RNA聚合酶ω亞基，與鼠疫菌的生長(zhǎng)速率和生物膜的形成能力有關(guān)[38]。在新疆天山古爾圖鼠疫自然疫源地的研究發(fā)現(xiàn)：該地區(qū)秋冬季發(fā)生異常寒冷、干旱時(shí)，鼠疫菌rpoZ基因上可觀測(cè)到很強(qiáng)的正向選擇信號(hào)。體外實(shí)驗(yàn)表明該基因突變會(huì)導(dǎo)致鼠疫菌生物膜形成能力變化，從而將鼠疫菌基因變異與蚤類媒介吸血行為改變關(guān)聯(lián)起來(lái)[35]。該研究提示鼠疫菌基因組變化可以通過(guò)媒介等級(jí)聯(lián)作用，最終影響鼠疫流行強(qiáng)度。

絕大多數(shù)鼠疫菌攜帶3個(gè)質(zhì)粒。其中pMT1質(zhì)粒上的鼠毒素基因ymt(磷脂酶D)對(duì)于鼠疫菌在蚤腸道中的正常存活必不可少。它不僅可以保護(hù)鼠疫菌免受跳蚤腸道內(nèi)含物的細(xì)胞毒性影響，而且有利于其在節(jié)肢動(dòng)物腸道中的定殖[39]。ymt活性依賴于生物下調(diào)因子rcsA、PDE2(rtn)、PDE3(y3389)[40]和ureD[41]等基因的假基因化，假基因的形成增強(qiáng)了鼠疫菌生物膜的形成能力，以及經(jīng)蚤傳播的能力[42]。而這些基因所參與的調(diào)控子自身表達(dá)(如RcsAB)往往又受氣候/環(huán)境信號(hào)因子(pH值、溫度、代謝物水平、離子濃度)[43]等的調(diào)控。適宜的溫度(26 ℃)可使ymt基因的表達(dá)量增高[44]，利于鼠疫菌的定殖及傳播，從而促進(jìn)鼠疫流行。

鼠疫菌在自然條件下或傳代過(guò)程中，有可能獲得或缺失部分質(zhì)?；蚨玖u，對(duì)宿主動(dòng)物的侵襲能力產(chǎn)生影響[43-44]。以pgm位點(diǎn)為例：該位點(diǎn)是鼠疫菌染色體上一段長(zhǎng)度為102 kb的強(qiáng)毒力島[45]，兩側(cè)存在同向重復(fù)的插入元件IS100，可介導(dǎo)鼠疫菌在傳代中發(fā)生同源重組及序列缺失[46]。pgm位點(diǎn)的色素沉著區(qū)與pgm陽(yáng)性表型相關(guān)，該表型在動(dòng)物間傳播過(guò)程中起主導(dǎo)作用[47]；而其攜帶的hmsHFRS操縱子是生物膜在蚤體內(nèi)形成的關(guān)鍵基因[48]，該基因的轉(zhuǎn)錄有利于鼠疫菌生物膜的形成，對(duì)跳蚤傳播鼠疫十分重要[49]。現(xiàn)有研究表明鼠疫菌pgm位點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室及自然界傳代過(guò)程中均可發(fā)生缺失[47]，其缺失形成的種群遺傳多樣性將對(duì)鼠疫菌在媒介和宿主間的傳播造成影響。

4.2 耶爾森菌屬抗原交叉免疫對(duì)生態(tài)位的影響 除了鼠疫菌自身外，耶爾森菌屬其他近緣物種的抗原交叉免疫也可能對(duì)生態(tài)位產(chǎn)生影響。假結(jié)核耶爾森菌(Y.pseudotuberoulosis，假結(jié)核菌)與小腸結(jié)腸炎耶爾森菌(Y.enterocolitica)與鼠疫菌均屬于耶爾森菌屬。三者的基因組分析表明，其在遺傳水平上親緣關(guān)系很近[50]，均含有共同攜帶的毒力質(zhì)粒(pYV，在鼠疫菌中被稱為pCD1)編碼的V抗原(LcrV)及外膜蛋白A(outer membrance protein A，OmpA)等多組一致的抗原結(jié)構(gòu)[51]。因而疫源地動(dòng)物在感染某種致病性耶爾森菌后可能獲得保護(hù)性免疫。Harrison等[52]發(fā)現(xiàn)，鼠疫菌在自然疫源地中通常與假結(jié)核菌、小腸結(jié)腸炎耶爾森菌交替出現(xiàn)，隨后鼠疫疫情由流行轉(zhuǎn)為靜息。高少坤和杜國(guó)義[50]比較了鼠疫菌與假結(jié)核菌的基因片段和歷史上曾發(fā)生的3次世界范圍的人間鼠疫大流行，也發(fā)現(xiàn)鼠疫菌與假結(jié)核菌在鼠疫流行和靜息期曾交互出現(xiàn)。同一疫源地內(nèi)動(dòng)物感染鼠疫菌、假結(jié)核菌或小腸結(jié)腸炎耶爾森菌的分布此消彼長(zhǎng)呈“同心圓”現(xiàn)象(concentric circle distribution)[53]。這一現(xiàn)象間接解釋了在鼠疫自然疫源地的嚙齒類動(dòng)物中通常無(wú)法分離出其他致病性耶爾森菌的現(xiàn)象；反之也提示耶爾森菌屬其他物種的入侵可能是引起生態(tài)位變化、疫源地靜息的原因之一。

5 人類活動(dòng)與生態(tài)位

人類活動(dòng)也會(huì)引起動(dòng)物間鼠疫疫情流行及靜息的交替轉(zhuǎn)換，比如以滅鼠、滅蚤為主的疫區(qū)處理工作，會(huì)造成主要宿主動(dòng)物及蚤類媒介的密度急劇降低。由于疫源地內(nèi)宿主動(dòng)物恢復(fù)慢，減緩了動(dòng)物間鼠疫傳播速度，短期內(nèi)無(wú)法發(fā)生大規(guī)模動(dòng)物間鼠疫疫情，鼠疫趨于靜息[54]。當(dāng)疫源地經(jīng)過(guò)多年的自身調(diào)節(jié)，宿主動(dòng)物逐漸恢復(fù)，達(dá)到一定程度后會(huì)再次引起鼠疫流行。若動(dòng)物間鼠疫流行時(shí)沒(méi)有人為干預(yù)(疫區(qū)處理)，鼠疫可能會(huì)波及至人導(dǎo)致人間鼠疫的流行[20]。除此之外，水庫(kù)修建等大型施工活動(dòng)也會(huì)破壞鼠疫的生態(tài)平衡，我國(guó)廣西南盤江流域就曾因修建天生橋水庫(kù)而引起動(dòng)物及人間鼠疫的流行。在建設(shè)水庫(kù)的十年間，當(dāng)?shù)匚闯霈F(xiàn)過(guò)動(dòng)物間疫情。但隨著水庫(kù)的蓄水將周圍農(nóng)田和植被淹沒(méi)，使得原本分散的嚙齒類動(dòng)物被集中在一個(gè)沒(méi)有水的地方，鼠疫菌經(jīng)跳蚤叮咬人后最終引發(fā)人間疫情。隨著水庫(kù)成功修建以及人類居住環(huán)境和動(dòng)物、植被的逐漸恢復(fù)，鼠疫自然疫源地轉(zhuǎn)入靜息期[3,9]。

6 鼠疫靜息機(jī)理的認(rèn)識(shí)

鼠疫菌是生態(tài)位中關(guān)鍵的一環(huán)，因此，了解其在靜息期內(nèi)如何保存，又以何種機(jī)制引起動(dòng)物間流行對(duì)于鼠疫研究而言十分重要。鼠疫菌不僅可以在動(dòng)物及媒介體內(nèi)保存，還能在土壤、植物等生態(tài)因子中呈非寄生相保存。原生動(dòng)物是許多病原體的宿主和傳播者[55]，其對(duì)所吞噬的細(xì)菌有選擇作用，研究證實(shí)鼠疫菌也可寄生在土壤原生動(dòng)物中[56]。在冬季或干旱等不利環(huán)境下，原生動(dòng)物通過(guò)吞噬土壤中的鼠疫菌形成孢囊，以“休眠”狀態(tài)貯藏，保護(hù)細(xì)菌不受外界環(huán)境侵害[56-57]。有些阿米巴個(gè)體吞噬鼠疫菌后，被吞噬細(xì)菌可在其細(xì)胞內(nèi)大量繁殖，最終使細(xì)胞破裂而釋放到外環(huán)境中[58]。宋志忠等[59]提出鼠疫菌還可能以植物根系正常菌群的形式保存在根系環(huán)境中。當(dāng)環(huán)境內(nèi)某些因素發(fā)生變化時(shí)，細(xì)菌可通過(guò)根部進(jìn)入植物地上部分，通過(guò)攝食途徑感染嚙齒類動(dòng)物，造成動(dòng)物間鼠疫的傳播[59-60]，但這一推論目前尚缺乏強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)室和自然條件證據(jù)。

7 結(jié) 語(yǔ)

動(dòng)物間鼠疫流行、靜息期交替轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象普遍存在于各鼠疫自然疫源地中。除上文總結(jié)的影響因素之外，自然災(zāi)害、氣候變化等也會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)貏?dòng)物及媒介生物的棲息環(huán)境產(chǎn)生影響。適宜的生態(tài)環(huán)境使得嚙齒類動(dòng)物和媒介種群擴(kuò)增，為鼠疫在動(dòng)物間的定植、傳播提供機(jī)會(huì)。而洪澇、干旱、地震等自然災(zāi)害的發(fā)生能短時(shí)間內(nèi)破壞生態(tài)位的動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)鼠疫自然疫源地造成影響，鼠疫可能局部滅絕或進(jìn)入靜息期，也可能遷徙溢出到其他地區(qū)建立新的鼠疫生態(tài)位[7-8]。此外，氣溫的季節(jié)性變化與宿主動(dòng)物的活動(dòng)強(qiáng)度、生殖腺發(fā)育、受孕和繁殖等密切相關(guān)。溫度過(guò)高或過(guò)低都能使動(dòng)物活動(dòng)強(qiáng)度降低，出現(xiàn)發(fā)育遲緩等現(xiàn)象[61-62]，間接對(duì)鼠疫疫情造成干擾。

盡管動(dòng)物間鼠疫流行和靜息期轉(zhuǎn)換研究一直是自然疫源性傳染病領(lǐng)域的重要課題，但目前已知的鼠疫生態(tài)位影響因素依然有限，鼠疫流行周期性轉(zhuǎn)化規(guī)律和詳細(xì)機(jī)制仍不明確。我國(guó)作為鼠疫自然疫源地分布和類型最為豐富的國(guó)家之一，在面臨鼠疫防控巨大挑戰(zhàn)的同時(shí)，也擁有獨(dú)特的研究資源。隨著生態(tài)學(xué)、生物組學(xué)、生物信息學(xué)等數(shù)據(jù)密集型學(xué)科的飛速發(fā)展，將會(huì)為鼠疫流行與靜息轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究方法和策略帶來(lái)新的思路。尤其是將生態(tài)學(xué)與進(jìn)化理論(Eco-Evo)相結(jié)合的先進(jìn)研究方法，將使我們從多個(gè)維度更加充分的認(rèn)識(shí)鼠疫，進(jìn)一步揭示鼠疫周期性流行的轉(zhuǎn)換機(jī)制，提高預(yù)測(cè)預(yù)警能力，為鼠疫防控工作提供支撐。

利益沖突：無(wú)