微生物對昆蟲行為的影響研究進展

程代鳳, 李慧靜, 陸永躍

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院, 廣州 510642)

微生物廣泛分布于自然界中，在進化過程中許多微生物與昆蟲形成了復(fù)雜多樣的關(guān)系。對昆蟲而言，昆蟲的新陳代謝和生理活動等多方面受微生物的直接或間接影響(Crottietal., 2012; Mendeletal., 2012; Riccietal., 2013; Christiaensetal., 2014; 石霞等, 2019)。例如，在昆蟲選擇寄主的時候，寄主上的一些微生物產(chǎn)生的揮發(fā)物對昆蟲具有強烈的吸引作用(楊發(fā)忠等, 2009; 石霞等, 2019)；另外，一些與昆蟲形成共生關(guān)系的細菌可參與合成昆蟲間通訊的信息化學(xué)物質(zhì)，從而影響昆蟲的聚集和社會行為，以及多物種間的互作(Kageyama, 2018; Di Salvoetal., 2019)；此外，一些環(huán)境微生物不僅會影響昆蟲腸道微生物的組成，還會影響昆蟲的產(chǎn)卵和覓食行為(Chandleretal., 2011; Keeseyetal., 2017; Leit?o-Gon?alvesetal., 2017; Téfit and Leulier, 2017; Wongetal., 2017)。

近年來，微生物影響昆蟲行為方面的研究受到越來越多的關(guān)注。隨著研究的深入，越來越多有關(guān)微生物影響昆蟲行為的生態(tài)和化學(xué)機制被揭示，為探索微生物和昆蟲互作關(guān)系增加了更多的案例。本文簡要綜述了近年來有關(guān)微生物影響昆蟲行為方面的研究，并對未來進一步的研究作出了展望。

1 微生物對昆蟲寄主定位與選擇的影響

昆蟲的寄主選擇行為需要運用多感官系統(tǒng)，在遠程寄主選擇中，昆蟲主要通過揮發(fā)性物質(zhì)進行寄主定位，而微生物在此環(huán)節(jié)中具有重要的作用(Bruceetal., 2005; de Bruyne and Baker, 2008; Tasinetal., 2012; Witzgalletal., 2012)。微生物可產(chǎn)生醇類、酮類、酸類、酯類等多種揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)可作為昆蟲定位其寄主的信息化合物(表1)。例如，Becher等(2012)研究了黑腹果蠅Drosophilamelanogaster與釀酒酵母Saccharomycescerevisiae以及葡萄三者間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)果蠅能準確定位感染了釀酒酵母的葡萄，并對感染的葡萄具有更高的取食和產(chǎn)卵偏好，通過進一步研究發(fā)現(xiàn)引起果蠅選擇偏好的物質(zhì)為釀酒酵母代謝產(chǎn)生的乙醇、乙酸、丙酮、2-苯基乙醇和3-甲基-1-丁醇(Becheretal., 2012)。另外，梅奇酵母Metschnikowia產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物同樣可作為蘋果蠹蛾Cydiapomonella的寄主定位物質(zhì)(Witzgalletal., 2012)。

表1 微生物對昆蟲寄主定位與選擇行為的影響案例

續(xù)表1 Table 1 continued

續(xù)表1 Table 1 continued

除了協(xié)助昆蟲準確定位寄主外，環(huán)境中的微生物還可通過驅(qū)避作用來影響昆蟲的寄主選擇行為。Cha等(2020)的研究顯示，與未被灰葡萄孢Botrytiscinerea感染的紅莓果實相比，斑翅果蠅Drosophilasuzukii對感染的紅莓果實表現(xiàn)出更低的取食選擇偏好，且進一步的研究表明斑翅果蠅的嗅覺系統(tǒng)在該選擇過程中起著重要的作用。類似地，感染了灰葡萄孢的葡萄產(chǎn)生的乙醇和3-甲基-1-丁醇對淡褐蘋果蛾Epiphyaspostvittana的寄主選擇同樣產(chǎn)生了驅(qū)避作用(Rizvi and Raman, 2016)。此外，感染柑橘黃龍病菌CandidatusLiberibacter asiaticus的柑橘植株中的韌皮部桿菌可顯著降低揮發(fā)物D-檸檬烯、β-羅勒烯和水楊酸甲酯的釋放量，從而對柑橘木虱Diaphorinacitri的天敵——龜紋瓢蟲Propylaeajaponica的寄主搜尋行為產(chǎn)生干擾甚至驅(qū)避作用(Linetal., 2016)。感染南方水稻黑條矮縮病毒(Southernriceblack-streakeddwarfvirus)的水稻產(chǎn)生的葉綠醇對載體昆蟲白背飛虱Sogotafurcifera的寄主選擇具有顯著的驅(qū)避活性，但這是否有利于病毒的擴散傳播仍需進一步驗證(王璐豐等, 2017)。

位于土壤中的微生物同樣可對昆蟲的寄主定位與選擇行為產(chǎn)生影響。植物根際細菌是天然存在于根表面或根際的微生物，已有研究表明植物根際細菌可通過參與植食性昆蟲取食誘導(dǎo)的植物防御反應(yīng)，改變植物產(chǎn)生的揮發(fā)物組成，進而增強對天敵昆蟲的吸引作用(Van der Puttenetal., 2001; Pinedaetal., 2010; Belletal., 2020)。而非致病性根際細菌Pseudomonasfluorescens則可以通過阻斷植株的茉莉酸途徑，進而降低寄生性天敵菜蚜繭蜂Diaeretiellarapae對桃蚜Myzuspersicae的定位準確性(Pinedaetal., 2013)。

此外，昆蟲體內(nèi)的共生菌在天敵昆蟲的寄主選擇行為中同樣具有重要作用。有研究表明，寄生蜂Mallophoraruficauda對寄主Cyclocephalasignaticollis的搜尋可由寄主腸道共生細菌產(chǎn)生的揮發(fā)物介導(dǎo)(Groba and Castelo, 2016)。Frago等(2017)曾報道，豌豆蚜Acyrthosiphonpisum的取食可引起寄主植物的揮發(fā)物釋放量的增加，這些揮發(fā)物可吸引天敵阿爾蚜繭蜂Aphidiuservi，但蚜蟲腸道內(nèi)的共生菌Hamiltonelladefensa可降低揮發(fā)物的釋放，以干擾天敵對蚜蟲的搜尋(Fragoetal., 2017)。

因此，進一步探究各種微生物在昆蟲寄主選擇與定位中的作用，對研究微生物與昆蟲的互作具有重要的意義。

2 微生物對昆蟲種內(nèi)和種間關(guān)系的影響

昆蟲個體間形成了復(fù)雜多樣的種內(nèi)和種間關(guān)系，包括共生、競爭、捕食、寄生等(王思銘和陳又清, 2011; 婁永根等, 2018)，已有多個研究表明在以上關(guān)系中昆蟲共生微生物有著重要的作用。其中，捕食與寄生關(guān)系在“寄主定位與選擇”部分中已進行闡述。

昆蟲間的互利共生是一種重要的生態(tài)互作關(guān)系。有研究表明蚜蟲腸道共生微生物參與了蚜蟲與螞蟻間的共生關(guān)系(Yao, 2014; Ivensetal., 2018)。蚜蟲蜜露中攜帶的腸道細菌產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)不僅吸引蚜蟲的天敵，也吸引與蚜蟲共生的螞蟻(Leroyetal., 2011; Fischeretal., 2015)。甜菜蚜Aphisfabae蜜露中木糖葡萄球菌Staphylococcusxylosus產(chǎn)生的苯乙醇和芳樟醇是黑毛蟻Lasiusniger辨別共生蚜蟲的重要物質(zhì)，對其具有強烈的吸引作用(Fischeretal., 2017)。

競爭行為在昆蟲中同樣廣泛存在，種內(nèi)競爭大多表現(xiàn)為寄主資源的競爭。由于昆蟲幼體階段活動能力有限，且幼體階段對寄主資源的競爭是生長發(fā)育的重要前提，因此雌蟲產(chǎn)卵前需要評估資源并降低后代之間對寄主資源競爭的可能(Applebaum and Heifetz, 1999; Nufio and Papaj, 2001; Yang, 2001)。昆蟲可利用體內(nèi)共生菌參與自身的寄主標記行為來幫助后代競爭資源，例如，Li等(2020)研究表明，來源于桔小實蠅Bactroceradorsalis卵表微生物普羅威登斯菌Providenciasp.和克雷伯氏桿菌Klebsiellasp.可誘導(dǎo)寄主產(chǎn)生更高含量的β-石竹烯，從而驅(qū)避后續(xù)桔小實蠅的產(chǎn)卵。類似地，在光亮扁角水虻Hermetiaillucens和家蠅Muscadomestica中同樣存在利用體內(nèi)共生微生物調(diào)節(jié)種內(nèi)寄主資源競爭的情況(Lametal., 2007; Zhengetal., 2013)。

3 微生物對昆蟲繁殖行為的影響

通常認為，物種間生殖隔離由遺傳分化導(dǎo)致，但近年來，有學(xué)者研究表明體內(nèi)共生微生物同樣可引起昆蟲的生殖隔離(Jaenikeetal., 2006; Koukouetal., 2006; Buellesbachetal., 2014)。有研究表明以玉米粉-蜜糖-酵母瓊脂培養(yǎng)基飼養(yǎng)的果蠅體內(nèi)植物乳桿菌菌群比例遠高于以淀粉培養(yǎng)基飼養(yǎng)的果蠅群體，植物乳桿菌菌群的增加改變了果蠅性信息素的水平，進而影響果蠅的交配偏好，并且這種交配偏好具有較強的遺傳傾向，產(chǎn)生了不經(jīng)遺傳分化的生殖隔離(Sharonetal., 2010; Najarroetal., 2015)。

環(huán)境微生物的代謝物質(zhì)很大程度上還擔(dān)任著昆蟲產(chǎn)卵過程中所依賴的化學(xué)信號物質(zhì)，并影響昆蟲的產(chǎn)卵行為(表2)。例如，細菌、真菌和藍藻均可代謝產(chǎn)生土臭素，該物質(zhì)可被許多昆蟲作為識別有害微生物的信號，進而驅(qū)避昆蟲的產(chǎn)卵行為(Gerber and Lechevalier, 1965; Mattheis and Roberts, 1992; Juttner and Watson, 2007; Stensmyretal., 2012)。然而，對埃及伊蚊Aedesaegypti而言，該物質(zhì)的作用卻是相反的，埃及伊蚊可通過識別土臭素來選擇在其幼蟲的食料——藍藻比較豐富的地方產(chǎn)卵(Vazquez-Martinezetal., 2002; Meloetal., 2020)。環(huán)境微生物還可通過揮發(fā)性代謝物刺激昆蟲產(chǎn)卵(Lindhetal., 2008)。例如，將從感染旋麗蠅Cochliomyiahominivorax的動物傷口中分離的細菌接種到新鮮的血液中，細菌通過產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，顯著吸引旋麗蠅產(chǎn)卵(Chaudhuryetal., 2010; Zhuetal., 2017)。嗜蟲沙雷氏菌Serratiaentomophila的刺激可以有效提高煙芽夜蛾Heliothisvirescens的產(chǎn)卵量，但同時會令其失去識別合適產(chǎn)卵地的選擇能力(Staudacheretal., 2015)。Tasin等(2018)發(fā)現(xiàn)，接種灰葡萄孢菌Botrytiscinerea或醋酸桿菌Acetobacteraceti的葡萄可驅(qū)避葡萄花翅小卷蛾Lobesiabotrana的產(chǎn)卵，接種酵母的時候則可以吸引產(chǎn)卵，但有意思的是同時接種灰葡萄孢菌和酵母時可強烈引誘該蟲的產(chǎn)卵行為。Bellutti等(2018)的研究也證明，假絲酵母Candidasp.和釀酒酵母S.cerevisiae對斑翅果蠅D.suzukii具有強烈的產(chǎn)卵刺激作用。

表2 微生物對昆蟲產(chǎn)卵行為的影響案例

續(xù)表2 Table 2 continued

4 微生物對昆蟲社會行為的影響

昆蟲的社會行為是指種群個體之間相互協(xié)作所表現(xiàn)出的各種行為活動，包括分級、分工、親代照護、筑巢、護巢、利它、合作等。社會性昆蟲維持社會群體的完整性主要通過昆蟲體表蠟質(zhì)層的長鏈碳氫化合物介導(dǎo)(Gordonetal., 2020; Walshetal., 2020)。有研究表明，昆蟲體內(nèi)共生的微生物可以改變昆蟲的氣味特征和嗅覺行為，從而調(diào)節(jié)個體在社會群體中的化學(xué)交流(Cartheyetal., 2018)。例如，在黃胸散白蟻Reticulitermessperatus中，當(dāng)含有不同豐度腸道微生物的同種入侵者攻擊巢穴時，由于具有和本巢個體不同的體表揮發(fā)物，它們更容易被識別并引起集體防御反應(yīng)(Matsuura, 2001)。類似地，切葉蟻Acromyrmexechinatior的腸道微生物可通過影響宿主體表碳氫揮發(fā)物的合成來調(diào)控切葉蟻同巢個體間的識別(Teseoetal., 2019)，抗生素處理的切葉蟻對同巢個體具有很強攻擊性，而重新飼喂微生物后攻擊性則會降低，但并不能完全恢復(fù)同巢個體的識別能力。Koto等(2020)的研究結(jié)果同樣證明，日本弓背蟻Camponotusjaponicus種群中不同級型、性別的個體腸道共生菌群落存在顯著差異，而這些共生菌參與體表碳氫化合物的合成，又反過來成為不同級型個體的化學(xué)信息識別標志。

環(huán)境中的微生物對昆蟲的社會行為同樣具有影響。例如，菌圃病原真菌Pseudoxylaria的揮發(fā)性氣味馬兜鈴烯、綠花百千層醇可引起白蟻Odontotermesobesus的群集防御反應(yīng)，使大量個體迅速清理真菌，以確保巢內(nèi)環(huán)境安全(Katariyaetal., 2017)。社會性昆蟲對筑巢地的選擇對種群生存、繁殖和抵御病原菌侵染具有重要意義。土壤環(huán)境中的放線菌可為土棲昆蟲抵御病原菌(Hamiltonetal., 2011; Peterson and Scharf, 2016; Chouvencetal., 2018)，Huang等(2020)研究發(fā)現(xiàn)，新交配的紅火蟻蟻后通過識別土壤中放線菌代謝產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物——土臭素和二甲基異莰醇，而優(yōu)先選擇在放線菌豐度較高的土壤中筑巢，該研究首次報道了土壤微生物的代謝化合物可影響新交配蟻后的筑巢選擇。

5 微生物對昆蟲聚集行為的影響

許多昆蟲都有聚集行為，且由昆蟲的激素或信息素調(diào)控。研究表明，昆蟲體內(nèi)共生的微生物可參與合成調(diào)控聚集行為的化合物(Byers and Wood, 1981)。Zhao等(2015)證實，腸道共生真菌Grosmanniapenicillata和G.europhioides可利用葡萄糖作為碳源從頭合成云杉八齒小蠹Ipstypographus的聚集信息素2-甲基-3-丁烯-2-醇，云杉八齒小蠹利用該物質(zhì)可以迅速聚集大量個體開始為害。類似地，兩種位于中歐山松大小蠹Dendroctonusponderosae腸道的共生酵母Hansenulacapsulata和Pichiapinus可以高效地將馬鞭草醇轉(zhuǎn)化成該蟲的聚集信息素(Hunt and Borden, 1990)。另外，在異色瓢蟲Harmoniaaxyridis反射性出血的分泌物中含有大量吡嗪類化合物，包括甲基吡嗪和甲氧基吡嗪，這兩個物質(zhì)在異色瓢蟲的吸引、聚集行為中具有重要作用，Schmidtberg等(2019)的研究顯示，細菌乳酸桿菌Lactobacillus和沙雷氏菌Serratia在腸道中參與這兩種物質(zhì)的合成，運輸至血淋巴后隨反射性出血釋放。

除了參與合成聚集作用的化合物，昆蟲體內(nèi)共生的微生物自身的代謝物同樣可以調(diào)控昆蟲的聚集行為。例如，斑衣魚Thermobiadomestica糞便中攜帶的腸道共生真菌Mycotyphamicrospora和陰溝腸桿菌Enterobactercloacae及其代謝物可以誘導(dǎo)斑衣魚的滯留和聚集行為(Woodbury and Gries, 2013a, 2013b)。腸道細菌代謝產(chǎn)生的揮發(fā)性羧酸能介導(dǎo)德國小蠊Blattellagermanica的聚集反應(yīng)，抗生素處理后的個體糞便中羧酸含量較低，并且對同種其他個體的吸引力更小(Wada-Katsumataetal., 2015; Kageyama, 2018)。類似地，腸道微生物成團泛菌Pantoeaagglomerans、克雷伯氏菌Klebsiellapneumoniaepneumoniae和陰溝腸桿菌Enterobactercloacae產(chǎn)生的愈創(chuàng)木酚和苯酚均可以調(diào)節(jié)蝗蟲的聚集行為(Dillonetal., 2000, 2002; Tanetal., 2015)。

6 微生物對昆蟲其他定向行為的影響

昆蟲對外界刺激作出面向或背向的行為稱為定向，對化學(xué)物質(zhì)的定向行為稱為趨化性，包括正趨性和負趨性。有研究顯示蟲傳微生物通過產(chǎn)生揮發(fā)物調(diào)控昆蟲的定向行為(表3)，以完成自身的擴散或生活史(Castleetal., 1998; Mayeretal., 2008; Maucketal., 2010a, 2018)。例如，李斯特氏菌Listeriamonocytogenes可操縱被感染的果蠅的信息素的合成，從而提高細菌與潛在的健康宿主或中間宿主接觸的機會，以促進自身的傳播擴散(DiAngeloetal., 2009; Chambersetal., 2012)。微生物還可通過產(chǎn)生效應(yīng)蛋白降低宿主植物防御反應(yīng)，吸引媒介昆蟲以促進其擴散(Sugioetal., 2011)。微生物對昆蟲定向行為的調(diào)控還具有動態(tài)效應(yīng)。例如，無毒的蚜蟲偏好于選擇感染大麥黃矮病毒(Barlyyellowdwarfvirus)的麥株，但在獲毒后，轉(zhuǎn)而偏好選擇無毒麥株(Ingwelletal., 2012)。 類似的動態(tài)定向調(diào)控在蟲傳病毒中廣泛存在(Wangetal., 2014; Guoetal., 2019; Wangetal., 2019)。盡管微生物-昆蟲互作一直是昆蟲生態(tài)領(lǐng)域的研究熱點，但其中微生物調(diào)控昆蟲定向行為而促進擴散的化學(xué)和分子機制仍然需要進一步探究。

表3 微生物對昆蟲其他定向行為的影響案例

7 小結(jié)與展望

微生物的廣泛分布為昆蟲與其頻繁接觸并作出響應(yīng)提供了背景條件。目前的研究表明微生物與昆蟲間的互作可能比已知的更為普遍，而來源于微生物的信號對昆蟲行為的影響常常被忽略(Fragoetal., 2012)。本文綜述了微生物對昆蟲多種行為的影響，回顧了微生物作為昆蟲寄主搜尋、產(chǎn)卵選擇、交配偏好、筑巢、群體聚集等多種行為的信號。然而昆蟲與微生物間的互作還有更多的內(nèi)容值得進一步探究，本文作者認為至少有以下幾個方面是值得進一步研究的：

第一，微生物影響昆蟲行為的過程中，調(diào)控昆蟲行為的信息化合物到底是如何產(chǎn)生的？回顧以往的研究我們發(fā)現(xiàn)不管是微生物-昆蟲-植物間還是微生物-昆蟲間的互作，大多數(shù)研究都只是提到微生物可以影響一些誘導(dǎo)昆蟲行為的信息化合物的產(chǎn)生或者含量的變化。然而，微生物到底是如何影響這些化合物的產(chǎn)生？微生物是通過直接代謝產(chǎn)生這些化合物還是通過影響昆蟲或植物化合物合成通路中相關(guān)基因的表達來影響這些化合物的合成？這些問題在大多數(shù)微生物-昆蟲-植物間或微生物-昆蟲間的互作研究中均沒有很好的解答。因此，對該方面進行研究將有助于更深入地理解微生物-昆蟲-植物間或微生物-昆蟲間的互作。

第二，微生物和昆蟲的全球性分布以及共同進化的長久歷程也表明二者的關(guān)聯(lián)可能遠不止目前的研究發(fā)現(xiàn)。級聯(lián)反應(yīng)和多物種互作是一種非常常見的現(xiàn)象。因此，微生物在影響昆蟲行為的過程中很可能涉及更多的物種間互作。微生物影響入侵紅火蟻筑巢行為就是一個典型的例子，研究發(fā)現(xiàn)紅火蟻可以通過識別土壤中放線菌釋放的揮發(fā)性化合物來選擇其筑巢地，而紅火蟻選擇這樣的筑巢地的目的則是為了獲得放線菌提供的保護作用，放線菌的存在可有效抑制土壤中紅火蟻病原真菌的生長(Huangetal., 2020)。該案例提供了一種昆蟲-放線菌-真菌間互作的典型模式。在自然界中，昆蟲個體能夠接觸到的生物因子非常多，在昆蟲周邊有天敵、寄主、同種個體、不同種個體、細菌、真菌和病毒等。這些生物因子間會不會有多個因子靠一種或者多種微生物因子串聯(lián)起來對昆蟲的行為產(chǎn)生影響呢？雖然已有一些報道表明微生物-昆蟲-植物或昆蟲-微生物-昆蟲3個因子間的聯(lián)系，但對4個或4個以上的因子間的聯(lián)系目前還很少報道。因此，將來可以進一步研究涉及4個或4個以上因子間的互作關(guān)系。

最后，回顧以往的研究，我們發(fā)現(xiàn)微生物對昆蟲行為的影響往往發(fā)生在昆蟲生長發(fā)育的某個時期，特別是一些昆蟲共生菌對宿主的影響更是如此。然而，昆蟲是如何調(diào)節(jié)其特定時期所需微生物類群的？昆蟲是主動通過其免疫系統(tǒng)來選擇其所需的微生物，還是靠微生物群體間的相互作用來獲得其所需的微生物？這些都是值得進一步探究的。