共生菌與昆蟲的營養(yǎng)互作

王爭艷 胡海生 雍晗紫 魯玉杰

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，鄭州 450001）

在長期進(jìn)化過程中，共生菌與宿主形成了較為穩(wěn)定的共生關(guān)系。根據(jù)共生菌與昆蟲宿主聯(lián)系的穩(wěn)定程度，可將昆蟲共生菌分為4類，專性內(nèi)共生菌、兼性內(nèi)共生菌、胞外共生菌和體外共生菌。宿主為共生菌提供營養(yǎng)物質(zhì)和能量來源，而共生菌對昆蟲宿主具有多種功能，能參與昆蟲的生理生化過程，影響昆蟲的營養(yǎng)、抗藥性、天敵防御和免疫能力等［1］。對于單食性的昆蟲，如以植物汁液為食的蚜蟲、以木材為食的白蟻，共生菌的營養(yǎng)功能尤為重要，可幫宿主消化植物多糖，提供碳源、必需氨基酸、維生素等［2］。

盡管共生菌對昆蟲宿主功能相關(guān)的綜述很多，但缺乏對共生菌與昆蟲營養(yǎng)聯(lián)系的系統(tǒng)總結(jié)和分析，其研究也多停留在揭示雙方營養(yǎng)聯(lián)系的層次，鮮少涉及雙方營養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)的過程及其調(diào)控機(jī)制，而后者為研究共生菌與人類營養(yǎng)健康的聯(lián)系提供參考，也為研發(fā)害蟲防治技術(shù)提供新思路。因此，本文在總結(jié)共生菌對昆蟲宿主營養(yǎng)功能最新研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析共生菌和宿主間營養(yǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)模式、宿主對共生菌營養(yǎng)素生產(chǎn)和轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控，以及共生菌與宿主營養(yǎng)共生的進(jìn)化意義，以期為共生菌與宿主營養(yǎng)共生及其機(jī)制的深入研究提供參考。

1 共生菌對昆蟲營養(yǎng)的功能

1.1 為宿主提供營養(yǎng)素

1.1.1 提供必需氨基酸 植物汁液中昆蟲必需氨基酸的含量小于20%。共生菌提供的必需氨基酸對以植物汁液為食的半翅目昆蟲具有重要意義［3］。三方面的證據(jù)表明共生菌Buchnera aphidicola向豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）提供色氨酸等必需氨基酸：（1）使用抗生素去除B.aphidicola后，豌豆蚜喪失合成必需氨基酸的能力［4］；（2）體外培養(yǎng)的B.aphidicola可以合成亮氨酸和苯丙氨酸等必需氨基酸［5］；（3）盡管B.aphidicola的基因組在進(jìn)化過程中極度退化，但保留了合成宿主必需氨基酸的相關(guān)基因［6］。此外，基因組分析表明，隱尾蠊（Cryptocercus punctulatus）中的Blattabacterium cuenoti和點(diǎn)蜂緣蝽（Riptortus pedestris）中的Burkholderia insecticola均具有合成宿主必需氨基酸的關(guān)鍵基因［7-8］。

1.1.2 提供維生素 共生菌能將氮固定為氨后合成維生素，以水溶性的B族維生素為主［9］。血食性昆蟲，如采采蠅（Glossina brevipalpis）和其他雙翅目蛹生類昆蟲、臭蟲、吸血虱以及一些植食性昆蟲和木食性昆蟲，如以植物汁液為食的半翅目昆蟲和鞘翅目昆蟲的常駐共生菌均能為宿主提供B族維生素［3］。代謝組學(xué)有助于從維生素的合成途徑上揭示維生素的來源，如全基因組和代謝組分析發(fā)現(xiàn)，煙粉虱（Bemisia tabaci）的共生菌Arsenophonus和Hamiltonella、褐飛虱（Nilaparvata lugens）和灰飛虱（Laodelphax striatellus）的共生菌Wolbachia的基因組中都存在合成B族維生素的基因，且共生菌存在時(shí)，宿主可以合成更多的B族維生素［10-12］。

1.1.3 提供甾醇 甾醇是昆蟲蛻皮、發(fā)育和生長所必需的營養(yǎng)素，但昆蟲不能合成甾醇化合物，必須從食物或共生菌中獲得。共生菌飼喂實(shí)驗(yàn)證實(shí)，木蟻（Camponotus vicinus）的共生菌Schwanniomyces polymorphus可以幫助宿主獲得甾醇類營養(yǎng)素［13］。在煙草甲（Lasioderma serricorne）、藥材甲（Stegobium paniceum）和褐飛虱與類酵母菌的共生體系中，利用GC-MS檢測來自宿主和類酵母的甾醇物質(zhì)發(fā)現(xiàn)，在類酵母菌中檢測到的大多是生物合成晚期的麥角甾醇，在宿主中檢測到的大多是麥角甾醇到7-脫氫膽固醇的中間代謝產(chǎn)物，表明宿主體內(nèi)甾醇來源于類酵母產(chǎn)生的麥角甾醇［14］。

1.1.4 參與氮素循環(huán) 共生菌可從宿主的食物和含氮代謝廢物中，或通過自身的固氮作用獲得含氮的前體物質(zhì)［3］。黑胸大蠊（Periplaneta fuliginosa）中的Blattabacterium spp.主要存在于宿主尿酸鹽細(xì)胞旁的含菌細(xì)胞內(nèi)，它們可以從尿素和氨中回收氮素［15］。代謝物建模和基因組分析已初步揭示共生菌參與宿主體內(nèi)氮素循環(huán)的生化過程。在豌豆蚜中，共生菌B.aphidicola和宿主聯(lián)合將含氮代謝廢物轉(zhuǎn)化為必需氨基酸。首先由共生菌合成氨基酸的碳骨架，然后豌豆蚜分泌轉(zhuǎn)氨酶將代謝廢物氨轉(zhuǎn)化為氮，并整合到碳骨架上生成氨基酸［16］。橄欖果實(shí)蠅（Bactrocera oleae）腸道共生菌Candidatus Erwinia dacicola的基因組可以編碼尿素酶，Tatumella sp.可以編碼尿素羧化酶和脲基甲酸水解酶，這些酶幫助宿主將尿素水解為有用的氮素［17］。

共生菌的固氮作用廣泛存在于白蟻中。白蟻腸道共生菌螺旋體的固氮作用為白蟻提供氮源［18］。腸道共生菌的固氮能力由白蟻食物中的氮素含量決定。以土壤為食的白蟻的腸道共生菌的固氮能力不明顯，而以木材為食的白蟻的腸道共生菌如Citrobacter freundii和Enterobacter agglomerans具有明顯的固氮能力［19］。而且，共生菌的固氮量與昆蟲氮日攝取量負(fù)相關(guān)，說明白蟻氮日攝取量過高會抑制其共生菌的固氮作用［20］。地中海實(shí)蠅（Ceratitis capitata）、黑森癭蚊（Mayetiola destructor）和紅脂大小蠹（Dendroctonus valens）的共生菌也有固氮能力［21-23］。

1.2 協(xié)助宿主昆蟲消化食物

1.2.1 消化蛋白質(zhì) 通過研究共生菌來源的蛋白消化酶的結(jié)構(gòu)和功能，發(fā)現(xiàn)腸道共生菌梭狀芽孢桿菌Clostridium、擬桿菌Bacteroides、乳酸桿菌Lactobacillus等能產(chǎn)生蛋白水解酶［9］。例如，對幕谷蛾（Tineola bisselliella）幼蟲腸道共生菌的分離培養(yǎng)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，腸道芽孢桿菌能產(chǎn)生幫助宿主水解角蛋白的酶［24］。單食性的橄欖果實(shí)蠅以橄欖果皮為食，能分解果皮中的非水解蛋白質(zhì)?；蚪M功能分析發(fā)現(xiàn)其腸道共生菌Candidatus Erwinia dacicola的基因組中具有編碼絲氨酸蛋白酶等酶的基因，這些酶可以幫助宿主消化非水解蛋白質(zhì)［25］。實(shí)際上共生菌分泌到胞外的蛋白質(zhì)組成復(fù)雜，包括蛋白酶、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和應(yīng)激蛋白等，這些活性物質(zhì)的協(xié)同作用在宿主消化中的意義要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單一的蛋白酶，值得進(jìn)一步的研究。

1.2.2 消化多糖 共生菌消化多糖對植食性昆蟲的碳營養(yǎng)極具意義。植物細(xì)胞壁的成分主要是纖維素、半纖維素和一些果膠，昆蟲體內(nèi)缺乏降解這些復(fù)雜植物多糖的酶。昆蟲后腸的共生菌會分泌纖維素酶和半纖維素酶，將細(xì)胞壁消化為簡單的糖，然后生成短鏈脂肪酸供昆蟲利用［26］。此外，在切葉蟻（Acromyrmex echinatior）中，共生菌可能參與甲殼素的水解［27］。

在取食高糖食物的昆蟲中，共生菌利用糖類合成宿主所需的乙酸鹽等產(chǎn)物［28］。以高糖腐爛水果為食的黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）的腸道共生菌代謝多糖產(chǎn)生三至五碳的醇、醛、酸及其酯［29］。多種共生菌的體外共同作用可以提高消化產(chǎn)物的產(chǎn)量和種類，而果蠅也更偏愛多種共生菌的消化產(chǎn)物［30］。共生菌群落代謝在其中起著重要的作用，醋酸桿菌Acetobacter pomorum利用乳酸桿菌Lactobacillus plantarum產(chǎn)生的乳酸合成乙偶姻，醋酸桿菌Acetobacter malorum利用酵母菌Saccharomyces cerevisiae產(chǎn)生的乙醇合成乙酸［30-31］。

在蜜蜂代謝花蜜和花粉的過程中，腸道共生菌起著重要作用。Gilliamella apicola是蜜蜂腸道共生菌的核心菌群。通過比較來自于東方蜜蜂（Apis cerana）、西方蜜蜂（Apis mellifera）和熊蜂（Bombus spp.）的共42個(gè)G.apicola菌株的基因組，發(fā)現(xiàn)一些菌株可以幫助蜜蜂利用有毒的甘露糖、樹膠醛糖、木糖和鼠李糖［32］。在厭氧條件下，蜜蜂后腸共生菌可以水解多種糖類，基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究表明，醋酸桿菌、乳酸桿菌等利用糖類生成乙醇、乙酸、乳酸、乙酰丙酮酸和2, 3-丁二醇等物質(zhì)［33］。

1.2.3 消化木質(zhì)素 如果宿主缺乏木質(zhì)素消化酶，且食物中存在木質(zhì)素時(shí)，共生菌會產(chǎn)生木質(zhì)素降解酶幫助宿主克服營養(yǎng)限制［34］。除了一些傳統(tǒng)真菌（白腐菌Phanerochaete chrysosporium和褐腐菌Gloeophyllum trabeum）外，大量以木材為食的昆蟲的腸道真菌也可以降解木質(zhì)素［35］。體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)共生菌可以產(chǎn)生降解木質(zhì)素的酶。以木質(zhì)素為唯一碳源培養(yǎng)昆蟲腸道共生菌，發(fā)現(xiàn)白蟻（Bulbitermes sp.） 的 共 生 真 菌 Aspergillus sp.A1［36］、 黑 胸 散 白蟻（Reticulitermes chinensis）的共生真菌Candida pseudorhagii SSA-1542 T.［37］均可以產(chǎn)生木質(zhì)素降解酶。此外，大家白蟻（Coptotermes curvignathus）的 共 生 細(xì) 菌 Lysinibacillus sp.、Acinetobacter sp.和Bacillus sp.［38］，旱白蟻（Anacanthotermes）的共生細(xì)菌 Bacillus sp.CF96［39］、白蟻（Bulbitermes sp.）的共生細(xì)菌Bacillus sp.B1和Bacillus sp.B2［36］也可以產(chǎn)生木質(zhì)素降解酶。實(shí)際上，昆蟲體內(nèi)木質(zhì)素的降解過程非常復(fù)雜，木質(zhì)素的消化需要宿主和共生菌的協(xié)同作用。木質(zhì)素進(jìn)入后腸（共生菌定殖處）之前，已被宿主進(jìn)行了初步消化，共生菌僅參與木質(zhì)素的后期消化。木質(zhì)素在腸道內(nèi)消化過程的研究，有助于理解共生菌群落組成和宿主間的協(xié)同進(jìn)化。

1.3 影響宿主腸道環(huán)境

共生菌的代謝產(chǎn)物會影響宿主腸道的O2濃度、pH值和氧化還原電位［40］。熊蜂腸道中的乳酸桿菌Lactobacillus bombicola產(chǎn)生的大量乳酸［41］、西方蜜蜂后腸的糖發(fā)酵菌G.apicola和乳酸桿菌Lactobacillus sp.產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸均能降低腸道的pH值。西方蜜蜂后腸中的共生菌Snodgrassella alvi還能利用這些脂肪酸和O2進(jìn)行能量代謝，維持腸道的低氧狀態(tài)。腸道環(huán)境的低氧和低pH有利于其他益生菌的生長［42］。此外，在白蟻的腸道中，后腸室的比表面積較大，導(dǎo)致腸壁流入的O2量很大，但腸道共生菌的O2消耗利于維持腸道內(nèi)容物的低氧狀態(tài)，降低了腸道的氧化還原電位，保證甲烷生成和乙酸生成作用的順利進(jìn)行［43］。共生菌對宿主腸道環(huán)境的影響意義遠(yuǎn)不止此，因?yàn)橹泻竽c的缺氧環(huán)境對某些復(fù)雜大分子的消化具有特殊意義。

1.4 影響宿主腸道的形成

共生菌能調(diào)控宿主圍食膜合成相關(guān)基因的表達(dá)，影響宿主腸道圍食膜的形成。利用抗生素去除共生菌后，家蠶（Bombyx mori）的圍食膜表面變得粗糙和疏松，通透性顯著增加，與圍食膜合成相關(guān)的基因表達(dá)明顯下調(diào)［44］。同樣，利用抗生素去除共生菌后，科魯茲按蚊（Anopheles coluzzii）的圍食膜碎片化，與圍食膜合成相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào)，尤其是相關(guān)酶的表達(dá)量下調(diào)或延遲表達(dá)［45］。此外，利用抗生素去除共生菌后，斯氏按蚊（Anopheles stephensi）的圍食膜碎片化，而且與圍食膜合成相關(guān)的基因表達(dá)明顯下調(diào)?；亟覧nterobacter sp.后，圍食膜結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常［46］。

1.5 對宿主營養(yǎng)代謝的調(diào)控

共生菌可以影響宿主的營養(yǎng)代謝，目前的研究集中在宿主的分解代謝。腸道共生菌可以利用自身產(chǎn)生的短鏈脂肪酸等代謝物與宿主進(jìn)行信息交流［47］。腸道的內(nèi)分泌細(xì)胞上特定的G蛋白偶聯(lián)受體識別短鏈脂肪酸后，會分泌Tk等肽類物質(zhì)，調(diào)節(jié)腸道乃至全身的脂質(zhì)和糖類代謝，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定［48］。在黑腹果蠅中，IMD通路基因沉默降低了Tk基因的轉(zhuǎn)錄水平，導(dǎo)致腸壁細(xì)胞中脂滴的積累。用微生物發(fā)酵產(chǎn)生的乙酸鹽飼喂無菌果蠅后，與G蛋白偶聯(lián)受體作用相似的肽聚糖識別蛋白可以識別乙酸，并調(diào)控IMD通路信號傳導(dǎo)水平上升，使腸壁細(xì)胞脂質(zhì)代謝恢復(fù)正常［49］。胞內(nèi)共生菌Wolbachia會調(diào)控黑腹果蠅sirt-4基因的表達(dá)，進(jìn)而影響宿主谷氨酸脫氫酶（葡萄糖代謝中的關(guān)鍵酶）的表達(dá)，影響宿主糖類代謝［50］。事實(shí)上在體內(nèi)很難研究共生菌與糖類、脂類代謝等生物過程的關(guān)系，體外細(xì)胞系（cell lines）為研究這些生物過程提供了新的機(jī)遇。例如，通過建立蚊子Aedes fluviatilis的胚胎細(xì)胞系（含菌和無菌）并對其進(jìn)行功能表征發(fā)現(xiàn)，Wolbachia能調(diào)控宿主細(xì)胞能源物質(zhì)的動(dòng)員，進(jìn)而影響宿主的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類代謝［51］。

2 共生體系聯(lián)合代謝

2.1 共生菌群落代謝

共生菌群落代謝生成營養(yǎng)素的速率遠(yuǎn)高于單一共生菌，一些代謝過程往往需要群落里不同菌群的分工合作。通過快速移除代謝產(chǎn)物，可將某些吸熱生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成放熱反應(yīng)，從而最大程度降低共生菌群落的能量消耗［52］。正如前面所述，乳酸桿菌產(chǎn)生的乳酸是醋酸桿菌生產(chǎn)乙偶姻的底物，酵母菌產(chǎn)生的乙醇是醋酸桿菌生產(chǎn)乙酸的底物。共生菌的代謝組學(xué)和基因組學(xué)分析進(jìn)一步證實(shí)，胞內(nèi)共生菌之間存在營養(yǎng)共生的現(xiàn)象［53］?；蚪M學(xué)分析顯示，煙粉虱中的共生菌Hamiltonella可以完成共生菌Portiera合成某些必需氨基酸的缺失步驟［54］。在沫蟬（Clastoptera proteus）中，利用同位素標(biāo)記法和代謝建模發(fā)現(xiàn)，它的一個(gè)共生菌群（Sulcia等）主要對葡萄糖進(jìn)行糖酵解，產(chǎn)生的丙酮酸和乳酸被第二個(gè)菌群（Zinderia等）進(jìn)行氧化磷酸化產(chǎn)生能量［55］。共生菌群落間，除了代謝物傳遞外，還能在基因水平實(shí)現(xiàn)信息交流?；蚪M學(xué)分析顯示，豌豆蚜中的共生菌Erwinia補(bǔ)充了Buchnera合成維生素的缺失步驟，這個(gè)基因是從共生菌Sodalis水平傳遞過來的，這些基因隨后轉(zhuǎn)移到Hamiltonella中［56］?；虻乃絺鬟f在共生菌群的進(jìn)化中發(fā)揮重要作用，可以增強(qiáng)共生菌的適應(yīng)能力或緩解內(nèi)共生菌基因組退化帶來的不利影響［57］。此外，共生菌間還存在代謝的相互調(diào)控，如代謝組建模和碳原子同位素標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，在豌豆蚜-Buchnera-Hamiltonella共生體系中，Hamiltonella可以促進(jìn)Buchnera合成更多的組氨酸［58］。

2.2 共生菌與宿主的聯(lián)合代謝

昆蟲共生菌與宿主通過共享某些代謝途徑，共同合成必需的營養(yǎng)素。豌豆蚜中的共生菌B.aphidicola、煙粉虱中的共生菌Portiera、Hamiltonella和柑橘粉蚧（Planococcus citri）中的共生菌Tremblaya、Moranella均丟失了編碼合成支鏈氨基酸末端轉(zhuǎn)氨酶的基因（ilvE）。從轉(zhuǎn)錄組和代謝組數(shù)據(jù)推測，相應(yīng)的生化反應(yīng)由昆蟲宿主產(chǎn)生的等效酶來催化完成［59］。共生菌失去關(guān)鍵的生物合成的步驟可能對宿主有益，因?yàn)樗兄谒拗鲗I養(yǎng)素生產(chǎn)和共生菌生長的控制［60］。反之，有些昆蟲生物合成必需氨基酸的基因來自于共生菌的水平傳遞。在柑橘粉蚧中，至少有22個(gè)表達(dá)基因從共生菌Tremblaya princeps轉(zhuǎn)移至粉蚧基因組后，使宿主具有了合成必需氨基酸的能力［61］。

3 共生菌營養(yǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)模式

目前研究較多的是昆蟲胞內(nèi)共生菌營養(yǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)方式。胞內(nèi)共生菌產(chǎn)生的營養(yǎng)素需要跨多層膜才能傳遞給宿主，包括共生菌細(xì)胞膜、宿主產(chǎn)生的包裹共生菌的菌胞體膜（symbiosomal membrane）和宿主細(xì)胞膜［62］。菌胞體膜可以讓必需營養(yǎng)素、代謝物和生物合成中間體選擇性地通過［63］。共生菌產(chǎn)生的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與營養(yǎng)素跨共生菌細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)。豌豆蚜共生菌B.aphidicola有內(nèi)、外兩層細(xì)胞膜，兩層膜上均分布有共生菌產(chǎn)生的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與宿主與共生菌之間的營養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)［64］。

實(shí)際上，大多胞內(nèi)共生菌的基因組缺失了編碼特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因，特別是在共生菌過量生產(chǎn)宿主所需營養(yǎng)素的共生體系中明顯缺失，而宿主有豐富的編碼特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因［65］。共生菌產(chǎn)生的營養(yǎng)素可以正常傳遞給宿主，說明宿主產(chǎn)生的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白最少參與了宿主細(xì)胞膜和菌胞體膜的營養(yǎng)素運(yùn)輸［66］，但相關(guān)的直接例證較少。通過基因表達(dá)、蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測和免疫組學(xué)，在豌豆蚜中的B.aphidicola的菌胞體膜上發(fā)現(xiàn)了的一種宿主表達(dá)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ApNEAAT1，該蛋白在非洲爪蟾（Xenopus laevis）卵母細(xì)胞中異源表達(dá)后，可以介導(dǎo)絲氨酸、脯氨酸、半胱氨酸、丙氨酸、甘氨酸等偶極氨基酸（dipolar amino acids）的轉(zhuǎn)運(yùn)［63］。

當(dāng)然，也存在著一些特殊的營養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)途徑。豌豆蚜的胞內(nèi)共生菌B.aphidicola表面均勻分布著數(shù)百個(gè)鞭毛基體，而B.aphidicola基因組不編碼鞭毛絲和運(yùn)動(dòng)蛋白，因此這些鞭毛不具有運(yùn)動(dòng)功能。這些鞭毛基體屬 III型分泌系統(tǒng)。在各種致病菌和共生菌中， III型分泌系統(tǒng)介導(dǎo)蛋白質(zhì)從共生菌到真核細(xì)胞的選擇性轉(zhuǎn)移［64］，據(jù)此推測B.aphidicola通過這些鞭毛選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)和其他小分子。

4 宿主對共生菌營養(yǎng)代謝的調(diào)控

事實(shí)上，昆蟲的營養(yǎng)需求在整個(gè)生命過程中不斷發(fā)生變化，以滿足其生長和繁殖等特定階段的需求，宿主可以通過調(diào)控共生菌營養(yǎng)素的生產(chǎn)和轉(zhuǎn)運(yùn)以適應(yīng)自身的需要［67］。

4.1 宿主對營養(yǎng)素生產(chǎn)的調(diào)控

宿主可以通過控制共生菌的空間分布和群落組成調(diào)控共生營養(yǎng)素的生成。白蟻可以通過控制后腸共生菌的空間分布來產(chǎn)生高營養(yǎng)價(jià)值的乙酸。乙酸生成作用和甲烷生成作用都依賴于H2對CO2的還原作用，高濃度的H2利于兩種生成作用的進(jìn)行。盡管甲烷生成具有熱力學(xué)優(yōu)勢，但產(chǎn)甲烷的共生菌被宿主限制在H2濃度較低的腸壁內(nèi)，限制了甲烷的生成，從而保證腸道內(nèi)乙酸生成作用的優(yōu)勢［43］。宿主對營養(yǎng)相關(guān)共生菌豐度的調(diào)控更為常見。豌豆蚜中的 B.aphidicola［68］和玉米象（Sitophilus zeamais）中Sodalis pierantonius［69］的豐度隨著宿主的發(fā)育不斷變化。從卵到若蟲的發(fā)育過程中，煙粉虱中提供必需氨基酸的共生菌Portiera的豐度逐漸上升，以滿足宿主逐漸增加的營養(yǎng)需求［70］。此外，伴隨著宿主生存條件尤其是食物條件的變化，共生菌的豐度也會發(fā)生變化，如隨著寄主植物必需氨基酸濃度的增加，煙粉虱中的Portiera豐度下降［71］。

宿主的免疫系統(tǒng)可以控制含菌細(xì)胞的數(shù)量和大小，直接影響共生菌的豐度。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)食物中缺乏酪氨酸和苯丙氨酸時(shí)，豌豆蚜體內(nèi)參與細(xì)胞增殖、控制細(xì)胞大小的基因（如ACYPI005644、ACYPI004569）表達(dá)上調(diào)，含菌細(xì)胞數(shù)量增加、體積變大，共生菌豐度也隨之增加［72］。宿主也可通過免疫系統(tǒng)調(diào)控其他兼性競爭性共生菌的生長或病毒的感染情況，間接調(diào)控特定共生菌的豐度。通過熒光定量PCR分析發(fā)現(xiàn)，豌豆蚜內(nèi)的Rickettsia能抑制B.aphidicola的生長［73］。利用熒光原位雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)，感染番茄黃化曲葉病毒后，Rickettsia能影響煙粉虱體內(nèi)共生菌Portiera的生長［74］。

對于胞內(nèi)共生菌，昆蟲宿主可以通過菌胞體膜與溶酶體的融合或通過誘導(dǎo)內(nèi)共生菌基因組編碼的噬菌體來裂解共生菌?；蚪M分析發(fā)現(xiàn)，溫帶臭蟲（Cimex lectularius）中的Wolbachia含有多個(gè)完整的噬菌體基因組，噬菌體進(jìn)入溶菌周期，就會裂解共生菌，釋放維生素等營養(yǎng)素［75］。昆蟲宿主可從活的共生菌或從裂解的共生菌獲取B族維生素，兩種途徑的相對重要性因維生素的種類和昆蟲的營養(yǎng)需求而異，并受宿主食物條件和發(fā)育階段的影響［2］。

此外，昆蟲宿主可以通過調(diào)控氨基酸合成前體的供給量或產(chǎn)物濃度調(diào)控共生菌營養(yǎng)素的生物合成［67］。胞內(nèi)共生菌的生理代謝趨向簡單，某些生理代謝轉(zhuǎn)移到昆蟲宿主后，共生菌無需通過負(fù)反饋循環(huán)調(diào)節(jié)代謝水平，降低了代謝成本［2］。豌豆蚜含菌細(xì)胞的分離培養(yǎng)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，宿主可以通過移除底物或富集產(chǎn)物濃度來負(fù)反饋調(diào)節(jié)共生菌B.aphidicola必需氨基酸合成的通量。豌豆蚜通過谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ApGLNT1）調(diào)控氨基酸合成前體的供給量，控制B.aphidicola必需氨基酸的合成量。一些宿主的基因，如將氨轉(zhuǎn)化為谷氨酸（GS-GOGAT循環(huán)）相關(guān)的基因、B.aphidicola必需氨基酸合成補(bǔ)償基因和將非必需氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到含菌細(xì)胞的基因，可能是豌豆蚜調(diào)節(jié)共生菌營養(yǎng)素合成的關(guān)鍵基因［67］。

4.2 宿主對營養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控

除了通過表達(dá)特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來調(diào)控營養(yǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)外，宿主調(diào)控營養(yǎng)素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的另一種機(jī)制可能是：宿主產(chǎn)生的抗菌肽會改變共生菌細(xì)胞膜的通透性，允許營養(yǎng)素的非特異性轉(zhuǎn)移?？咕膬H作用于共生菌細(xì)胞膜，而不會作用于菌胞體膜。菌胞體膜包圍在胞內(nèi)共生菌外，通常與共生菌細(xì)胞膜緊密并列，使得共生菌胞外的有效空間非常小，這樣被宿主修飾后的共生菌產(chǎn)生的營養(yǎng)素只會部分流出細(xì)胞，并會立即被菌胞體膜內(nèi)宿主編碼的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到宿主的細(xì)胞質(zhì)中［62］。盡管該假說尚未在昆蟲共生體系得到直接驗(yàn)證，但在豆科植物-根瘤菌共生體系中，豆科植物產(chǎn)生的富含半胱氨酸的多肽誘導(dǎo)根瘤菌的細(xì)胞膜和菌胞體膜的修飾，可以促進(jìn)植物細(xì)胞和根瘤菌之間的營養(yǎng)交換［76］。

5 共生體系基于營養(yǎng)關(guān)系的協(xié)同進(jìn)化

在長期的進(jìn)化過程中，許多單食性昆蟲通過與共生菌建立營養(yǎng)聯(lián)系來改善營養(yǎng)攝入不足的狀態(tài)［67］。如在許多昆蟲譜系中，胞內(nèi)共生菌逐漸演化出為昆蟲宿主提供必需營養(yǎng)素的功能。這種共生關(guān)系起因于宿主的營養(yǎng)需求，而宿主的持續(xù)進(jìn)化可以促進(jìn)益生菌在世代間的傳遞，或者更好地維護(hù)、支持和控制共生關(guān)系，實(shí)現(xiàn)昆蟲與共生菌的協(xié)同進(jìn)化［77］。在開放的共生體系中（昆蟲-胞外共生菌或體外共生菌），宿主可以從環(huán)境中獲得具有營養(yǎng)功能的共生菌，在進(jìn)化過程中，宿主相應(yīng)的功能基因退化，或通過基因的水平傳遞獲得相應(yīng)的功能基因而進(jìn)化。同樣地，共生菌之間可以通過噬菌體介導(dǎo)的基因水平傳遞而進(jìn)化。在封閉的共生體系中（昆蟲-專性內(nèi)共生菌），共生菌主要是通過基因缺失和基因組退化來進(jìn)化，宿主通過代謝補(bǔ)償維持兩者的共生關(guān)系，或用新的共生菌代替這些過度退化的共生菌。在混合系統(tǒng)中（昆蟲-兼性內(nèi)共生菌），共生菌大多無性繁殖，不利于基因的重組，但宿主可以獲得新的共生菌，共生菌之間也可以通過基因的水平傳遞獲得新的基因［57］。

胞內(nèi)共生菌與昆蟲代謝途徑的共享是昆蟲與共生菌協(xié)同進(jìn)化的直接證據(jù)。在豌豆蚜中，胞內(nèi)共生菌B.aphidicola依賴宿主合成的非必需氨基酸，而宿主依賴B.aphidicola合成的必需氨基酸［67］。協(xié)同進(jìn)化起因于共生菌基因組的退化，但它們保留了與昆蟲宿主營養(yǎng)需求有關(guān)的基因，如豌豆蚜的B.aphidicola退化的基因組保留了合成宿主必需氨基酸的基因。由于共生菌為昆蟲提供必需的營養(yǎng)素，昆蟲就必須對共生菌退化的功能進(jìn)行補(bǔ)償，而共生菌基因組的持續(xù)退化迫使宿主不斷地適應(yīng)進(jìn)化［78］?；蚪M學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，一種蟬（Diceroprocta semicincta）的內(nèi)共生菌Candidatus Hodgkinia cicadicola缺失了幾個(gè)參與tRNA加工的關(guān)鍵基因，但相關(guān)的tRNA仍然得到了加工和修飾，據(jù)此推測，宿主補(bǔ)償了共生菌缺失的功能和基因［79］。此外，在煙粉虱中，PanBC基因從共生菌Portiera傳遞給煙粉虱，而B族維生素的合成需要PanBC基因和Portiera的協(xié)同合作［80］。

6 小結(jié)和展望

在許多昆蟲與共生菌共生體系中，已明確共生菌可以通過提供營養(yǎng)素及其代謝中間物、消化酶等與宿主建立營養(yǎng)關(guān)系。宿主通過控制共生菌的空間分布、群落組成、細(xì)胞裂解、特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)等調(diào)控共生菌營養(yǎng)素的生成和轉(zhuǎn)運(yùn)。兩者間的營養(yǎng)功能互補(bǔ)成為共生體系協(xié)同進(jìn)化的動(dòng)力。然而，目前缺乏共生菌與宿主之間營養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)通量的研究，尚未系統(tǒng)性地明確營養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)節(jié)機(jī)制和細(xì)胞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)［65］。共生菌代謝為昆蟲宿主營養(yǎng)需求而進(jìn)化適應(yīng)的程度（如基因退化程度）及其調(diào)控機(jī)制也還需要進(jìn)一步研究。

基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、顯微技術(shù)和建模技術(shù)的發(fā)展為解決這些問題提供了機(jī)遇［81］?？梢詮幕蚪M和轉(zhuǎn)錄組信息中推斷出某類共生菌、共生菌群落及其昆蟲宿主代謝的遺傳基礎(chǔ)?；蚪M學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和建模技術(shù)的聯(lián)用有助于揭示共生菌與宿主之間營養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)的分子基礎(chǔ)，包括宿主對共生菌基因組退化的補(bǔ)償方式［65］。內(nèi)共生菌培養(yǎng)方式的創(chuàng)新（昆蟲細(xì)胞系和無菌培養(yǎng)基）和基因工程的應(yīng)用也為研究內(nèi)共生菌的傳播途徑和營養(yǎng)功能提供了機(jī)遇［82］。精細(xì)的代謝模型工具、高靈敏度的微量樣品代謝物分析方法以及可以對共生菌種類和代謝功能進(jìn)行精確空間定位的顯微技術(shù)，提高了共生體系代謝物流定性和定量分析的水平。代謝定量模型為未來的實(shí)驗(yàn)研究提供了精確的預(yù)測，并為分析共生體代謝功能網(wǎng)絡(luò)的組織提供了機(jī)會［83］。

昆蟲共生菌能產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì)，如消化酶和功能性營養(yǎng)素等，因此可被用于合成氨基酸、維生素、乳酸、抗菌化合物，生產(chǎn)生物燃料和可再生化學(xué)品，處理污水和修復(fù)生態(tài)以及控制農(nóng)業(yè)害蟲［84］。由于昆蟲的種類、棲境、食性等方面具有多樣性，受此影響，昆蟲腸道共生菌菌落的組成也復(fù)雜多變，使其成為各種生物活性物質(zhì)的豐富來源。共生菌培養(yǎng)和基因技術(shù)的發(fā)展大大提高了從復(fù)雜的共生菌群落中篩選生物工程菌的效率。昆蟲共生菌各種功能及其機(jī)制的深入研究，有助于進(jìn)一步提高這些生物活性物質(zhì)的應(yīng)用價(jià)值。