刺吸式昆蟲共生菌研究進(jìn)展

伍春芳，景凱婷，夏露霞，程墻義，潘 鋮

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310018）

共生菌與植食性昆蟲形成的共生關(guān)系，在宿主昆蟲與植物漫長(zhǎng)的協(xié)同進(jìn)化過程中發(fā)揮著不可替代的作 用［1-2］。近年來，昆蟲與共生菌之間的互作關(guān)系受到越來越多的關(guān)注。刺吸式昆蟲通常以口器刺破植物韌皮部組織或細(xì)胞，從胞間或胞內(nèi)吸取汁液獲得所需營(yíng)養(yǎng)，有研究發(fā)現(xiàn)這種取食方式由于其食物來源較為單一，取食到的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)難以完全滿足其生命需要，需依賴專性內(nèi)共生細(xì)菌提供，因此刺吸式昆蟲體內(nèi)往往都攜帶著一種或是兩者及以上可以補(bǔ)充植物汁液中所缺失的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的共生菌。自然界中，已知約有60%的昆蟲都含有共 生菌［3-4］。

共生菌與昆蟲相互依賴，協(xié)同進(jìn)化。昆蟲為體內(nèi)共生菌提供相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，共生菌可存在于昆蟲的腸道、外骨骼、生殖系統(tǒng)等部位，為昆蟲的生長(zhǎng)繁殖、環(huán)境適應(yīng)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝等方面提供幫助。研究昆蟲體內(nèi)的共生菌，可通過腸道共生菌的研究與昆蟲生命歷程關(guān)聯(lián)分析，研制出更為有效的防治途徑［4］?；诖耍占⒄砹舜涛嚼ハx共生菌的相關(guān)文獻(xiàn)，著重對(duì)于刺吸式昆蟲體內(nèi)的共生菌種類、傳播規(guī)律與作用、共生菌研究手段以及防治方法等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，以期推進(jìn)共生菌防治農(nóng)業(yè)害蟲的研究。

1 昆蟲體內(nèi)共生菌概況

1.1 體內(nèi)共生菌的種類

共生菌根據(jù)其生物學(xué)和進(jìn)化史，可分為原生共生菌（Primary symbiont）和次生共生菌（Secondary symbiont）［5］。雖然共生細(xì)菌在昆蟲中分布普遍且其種類不一，但每種昆蟲體內(nèi)有且只有一種原生共生菌，并且存在嚴(yán)格的共生關(guān)系，如蚜蟲體內(nèi)是Buchnera，粉虱體內(nèi)為Portiera，木虱體內(nèi)則是Carsonella［6-7］。次生共生菌的種類相對(duì)多樣化，可有一種或一種以上，有研究者分析了多個(gè)地區(qū)不同寄主植物上麥長(zhǎng)管蚜種群內(nèi)的共生菌情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初級(jí)共生菌B.aphidicola存在于所有個(gè)體中，但種主要次級(jí)共生菌H.defensa和R.insecticola，在不同種群中感染率和同一寄主下不同地方種群中均存在很大差異［8］。

根據(jù)進(jìn)化時(shí)間的不同，昆蟲體內(nèi)共生菌還可以分為專性共生細(xì)菌和兼性共生菌。專性共生菌存在嚴(yán)格的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系，可為宿主提供氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，與生長(zhǎng)繁殖、次生物質(zhì)解毒方面等密切相關(guān)，一般進(jìn)行垂直傳播從母本傳給子代［9］。兼性共生細(xì)菌一般分布在含菌細(xì)胞、血淋巴等器官，即可進(jìn)行水平方式傳播又可進(jìn)行垂直方式傳播，主要在昆蟲存活率、抵御天敵等宿主適應(yīng)性方面發(fā)揮作用［10］。

1.2 體內(nèi)共生菌的傳播規(guī)律

共生菌在昆蟲體內(nèi)的傳播方式主要分為垂直傳播和水平傳播。共生菌經(jīng)卵垂直傳播可分為共生菌侵染宿主昆蟲幼蟲中的卵母細(xì)胞、侵染宿主昆蟲年輕雌成蟲中的卵母細(xì)胞、侵染宿主昆蟲雌成蟲中的成熟卵母細(xì)胞以及侵染宿主昆蟲囊胚期胚胎4 種方式［11］。蚜蟲次生共生菌大多存在于血淋巴中或菌胞中，主要隨母代垂直傳播，但也有研究表明，次生共生菌也可以在種內(nèi)和種間發(fā)生水平傳播。通過熒光原位雜交技術(shù)和透射電鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)共生菌H.defensa可在攜帶者取食后在小麥葉片中存留大約12 d，感染未攜帶的蚜蟲，并能在其后代中穩(wěn)定［12］。

1.3 體內(nèi)共生菌的作用

共生菌可對(duì)昆蟲的生長(zhǎng)繁殖、環(huán)境適應(yīng)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝等方面提供幫助。共生菌可為宿主提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因?yàn)轫g皮部汁液缺乏合成必須氨基酸的基本元素，以其為食的刺吸式昆蟲就需要依賴體內(nèi)的共生菌為宿主昆蟲提供必需氨基酸［13］。草翅葉蟬的兩種專性共生菌，Sulcia負(fù)責(zé)合成精氨酸（Arginine）等8 種氨基酸，Baumannia則合成維生素和輔助因子［13］。共生菌可協(xié)助宿主降解有毒物質(zhì)，提高抗藥能力以及提高昆蟲的防御能力。共生菌可以通過礦化、代謝等方式將外源毒素轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的物質(zhì)，協(xié)助宿主降解有毒物質(zhì)或者農(nóng)藥。豌豆蚜中的次生共生菌Hamiltonella對(duì)于寄生蜂（Aphidius ervi）具有一定的抵抗作用［13］，適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)感染共生菌H.defensa后的蚜蟲種群適應(yīng)性顯著提高，體重、無翅蚜率及后代產(chǎn)蚜量等方面顯著提高［13］。共生菌還是昆蟲傳播病毒的中間介體，葉蟬體內(nèi)的共生細(xì)菌Sulcia可直接介導(dǎo)水稻矮縮病毒的入卵傳播，Hamiltonella可協(xié)助傳播番茄黃化曲葉病毒［14］。

2 共生菌的研究方法

昆蟲共生細(xì)菌多樣性分析最常用體外培養(yǎng)鑒定。例如，褐飛虱腸道微生物主要采用離體平板培養(yǎng)和克隆文庫法，且集中于細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性分析方面［15］。由于其部分生物進(jìn)程的基因高度缺失，決定了共生菌對(duì)宿主細(xì)胞的依賴性，導(dǎo)致大部分共生菌無法在宿主昆蟲體外進(jìn)行離體培養(yǎng)［4］，同時(shí)體外培養(yǎng)需要如特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、pH、氧化還原電位等等復(fù)雜特殊的生存環(huán)境，使絕大多數(shù)共生菌難以人工培養(yǎng)，同時(shí)利用培養(yǎng)基分離的細(xì)菌分類單元相對(duì)偏少，效率較低。利用16S rRNA 序列分子標(biāo)記鑒定可更精準(zhǔn)的鑒定細(xì)菌多樣性，但利用16S rRNA 結(jié)合限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（RFLP）等技術(shù)的分子標(biāo)記，雖然鑒定難度和分類單元增加，但文庫構(gòu)建和電泳分析均費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

近年來，隨著宏基因組學(xué)的興起以及分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使用新的技術(shù)對(duì)昆蟲腸道微生物進(jìn)行研究成了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。轉(zhuǎn)錄組學(xué)及細(xì)菌基因組學(xué)等高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，為解析褐飛虱腸道菌群結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)有力的分析手段，它具有高靈敏度、高精確性、高效率和低成本等優(yōu)勢(shì)。利用末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（T-RFLP）分析16S rRNA 序列時(shí)僅能檢測(cè)出23 種細(xì)菌，而利用16S rRNA 結(jié)合高通量測(cè)序可分析出203 個(gè)分類單元［16］。新技術(shù)的不斷發(fā)展，可對(duì)大部分的原來難以體外培養(yǎng)的共生菌的種類進(jìn)行明確，還可預(yù)測(cè)共生菌與共生菌之間的和共生菌種群的相應(yīng)功能，為未來更加深入研究共生菌提供的新的方向和契機(jī)。

3 共生菌的防治作用

研究昆蟲共生菌為開發(fā)生物能源提供了理論依據(jù)。Wolbachia所引起的細(xì)胞質(zhì)不親和這一特性，可以在昆蟲種群中傳播，這一現(xiàn)象在昆蟲與共生菌技術(shù)預(yù)防上有著重要的作用［17］。利用基因工程技術(shù)對(duì)昆蟲體內(nèi)的共生菌進(jìn)行技術(shù)改造，能夠解決因?yàn)槔ハx對(duì)藥物產(chǎn)生的耐藥性引起的昆蟲防治方面的問題，目前已經(jīng)出現(xiàn)了用抗生素除去昆蟲體內(nèi)的共生菌進(jìn)而引起昆蟲死亡的實(shí)例。麥蚜作為危害小麥的重要害蟲，由于蚜蟲的強(qiáng)適應(yīng)性導(dǎo)致抗蚜基因的匱乏，使得常規(guī)抗蟲難以奏效。到目前為止，蚜蟲強(qiáng)適應(yīng)性的原因以及蚜蟲如何克服寄主植物的防御體系仍然不清晰。PANG 等用Arsenophonussp.細(xì)菌代替褐飛虱腸內(nèi)的Arsenophonus細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)褐飛虱對(duì)殺蟲劑的抗性顯著降低［18］。李遷利用PCR 的方法鑒定了17 個(gè)不同地理種群麥長(zhǎng)管蚜體內(nèi)共生菌的多樣性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同地理種群中共生菌多重感染現(xiàn)象嚴(yán)重，并沒有發(fā)現(xiàn)單一次級(jí)共生菌的感染的種群，如能改變蚜蟲體內(nèi)的共生菌構(gòu)成，是否能降低其抗藥性［12］。

當(dāng)前，昆蟲的抗藥性治理有多種方式，其中生物防治手段以其能夠有效控制害蟲、減少環(huán)境污染、低成本等優(yōu)勢(shì)已逐漸受到廣泛關(guān)注。生物防治可利用天敵昆蟲、昆蟲信息素等。最近很多研究發(fā)現(xiàn)昆蟲共生菌與抗藥性有一定關(guān)系，為昆蟲抗藥性治理及農(nóng)藥降解提供了新方向。從昆蟲體內(nèi)的共生菌入手探索將共生菌用于害蟲防治將會(huì)為害蟲綜合治理提供一條全新的途徑。

4 結(jié)語與展望

借助基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等高通量技術(shù)，將傳統(tǒng)研究與分子生物學(xué)相結(jié)合，明確共生菌的多樣性和特異性是研究其功能和機(jī)制的前提。解析共生菌與宿主昆蟲的互作模式及其分子機(jī)制，有利于發(fā)現(xiàn)昆蟲在進(jìn)化上的機(jī)制。共生菌參與植物-害蟲-天敵的互作模式是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。生態(tài)防控中提出利用專一性天敵防控害蟲，但由于害蟲體內(nèi)共生菌的參與，使防治效率大大降低。因此，研究防御性共生菌的穩(wěn)定傳播機(jī)制有利于揭示不同昆蟲對(duì)環(huán)境、寄主或生境的適應(yīng)機(jī)制。