果蠅細胞內(nèi)共生菌Wolbachia研究進展

張廣，陳雨，王蓓蕾

(1. 省部共建云南生物資源保護與利用國家重點實驗室，昆明 650091； 2.云南大學 生命科學學院，昆明 650091；3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學 植物保護學院，蘭州 730070)

1924年，Hertig和Wolbach[1]在尖音庫蚊(Culexpipiens)生殖組織中首次發(fā)現(xiàn)Wolbachia，后被命名為Wolbachiapipient[2]。由于Wolbachia能顯著影響宿主適合度并廣泛分布在節(jié)肢動物內(nèi)，20世紀70年代引起廣泛關注。

Wolbachia主要通過宿主母系生殖細胞傳遞給子代，并誘導細胞質(zhì)不親和(cytoplasmic incompatibility, CI)、孤雌生殖(parthenogenesis)、殺雄(mail killing)、雌性化(femalization)和增強雌性生殖力等[3-4]，從而影響宿主生殖活動。此外，Wolbachia對宿主壽命、嗅覺反應、免疫力及干細胞增殖等也產(chǎn)生影響[5-8]。近年與Wolbachia相關的研究不斷被報道，例如把Wolbachia應用于控制蚊蟲傳播瘧疾、登革熱等疾病[9]；Wolbachia與宿主相互作用中，交尾模式影響宿主體內(nèi)Wolbachia密度動態(tài)[10]。

近年果蠅種內(nèi)或種間水平的Wolbachia相關研究大量被報道。但國內(nèi)外尚未見對此有專門的總結(jié)和評述。因此本文對果蠅細胞內(nèi)共生菌Wolbachia的基礎生物學、分布、對果蠅生殖活動的調(diào)控等進行評述，以及對果蠅相關的Wolbachia研究現(xiàn)狀及趨勢進行簡要討論，旨在為相關研究提供一定參考。

1 Wolbachia的普遍性及在果蠅中的發(fā)現(xiàn)

2015年Weinert等[11]報道52%的節(jié)肢動物被Wolbachia感染。據(jù)推測感染W(wǎng)olbachia的昆蟲有150～500萬種，大多數(shù)存在于宿主精巢和卵巢組織細胞質(zhì)內(nèi)，在馬氏管、靠近體腔的肌肉組織、血細胞、血淋巴和神經(jīng)組織中也有發(fā)現(xiàn)。

1986年，Hoffmann等[12]在雌性D.simulans中首次發(fā)現(xiàn)果蠅體內(nèi)存在Wolbachia。1997年Min & Benzer[13]報道果蠅腦內(nèi)大量積累Wolbachia，并發(fā)現(xiàn)Wolbachia的wMelPop株系感染D.melanogaster，會導致宿主壽命嚴重縮短的現(xiàn)象。近年果蠅細胞內(nèi)Wolbachia的研究較多，如Richardson等[14]進行D.melanogaster內(nèi)Wolbachia群落基因組分析，結(jié)果顯示D.melanogaster的mtDNA譜系關系與體內(nèi)Wolbachia的譜系關系是一致的，從而揭示單系祖先種Wolbachia通過宿主母系細胞質(zhì)嚴格傳遞到子代。Siozios等[15]利用wMel、wRi、wAna、wWil和wSim菌株基因組序列作為探針，在D.suzukii基因組序列中檢索到與Wolbachia匹配的序列，也檢索到Wolbachia菌株中新的wSuzi基因組序列；Kriesner等[16]比較分析北美洲、非洲和歐亞大陸D.melanogaster中Wolbachia的感染頻率，并調(diào)查澳大利亞Hawthorn、美國南波特蘭和英國愛丁堡三地區(qū)寒冷條件下，自然感染W(wǎng)olbachia對休眠期D.melanogaster適合度的影響。國內(nèi)研究者利用Wolbachia的16S、rDNA和wsp基因特異引物對D.suzukii的7個地理種群(中國5個、韓國和美國各1個) 的Wolbachia進行檢測，發(fā)現(xiàn)我國5個種群的Wolbachia感染率為36.7%～80.0%，均屬于A組[17]。熊恩娟等[18]對我國湖北武漢、云南六庫和天津3個地區(qū)D.melanogaster中Wolbachia進行研究，表明3地區(qū)感染的Wolbachia都屬于A 組，感染的Wolbachia序列類型不同，存在一定差異；對果蠅生殖活動分析，發(fā)現(xiàn)湖北武漢和天津果蠅中Wolbachia能引起強烈的CI，而云南六庫果蠅中Wolbachia引起的CI 強度相對較弱。武漢果蠅中Wolbachia不能完全挽救天津果蠅中Wolbachia引起的CI，而天津果蠅中Wolbachia也不能完全挽救武漢果蠅中Wolbachia引起的CI。此外，Wolbachia在果蠅整個大腦內(nèi)的分布不均勻，可通過不同的模式在細胞間進行轉(zhuǎn)移[19]。雌果蠅體內(nèi)Wolbachia能活躍地從腹腔背部區(qū)域向生殖腺移動，穿過多個組織界面最終建立宿主生殖細胞的干細胞龕[5,20]。

2 Wolbachia在果蠅中的傳播方式

2.1 垂直傳播

Wolbachia是一種專性細胞內(nèi)共生菌，在宿主間有不同的傳播方式，其中通過卵細胞質(zhì)在宿主世代間的垂直傳播(vertical transmission)是Wolbachia主要的母系傳播模式[21]。此模式受不同因素影響，F(xiàn)rydman等[20]認為長期感染W(wǎng)olbachia的果蠅，卵巢軀體干細胞龕中有大量Wolbachia，可能會增強Wolbachia在果蠅中垂直傳播的效率。也有研究表明Wolbachia在D.melanogaster種內(nèi)能利用宿主肌動蛋白進行有效的母系傳遞[22]。

2.2 水平傳播

1995年，Werren 等[23]首次報道包括D.simulans在內(nèi)的一些昆蟲種間Wolbachia的水平傳播(或橫向傳播，horizontal transmission)；近年Bennett等[24]對夏威夷4個感染W(wǎng)olbachia的雙翅目昆蟲家系進行篩選，發(fā)現(xiàn)果蠅科Wolbachia的感染占18%。進行wsp系統(tǒng)發(fā)育分析，發(fā)現(xiàn)果蠅物種如遠緣物種D.eurypeza和D.nr.basimacula、廣布種D.dasycnemia，D.redunca和D.prodita等物種間存在Wolbachia水平傳播。

自然界Wolbachia水平傳播途徑非常復雜，已報道的有同種宿主不同個體間的水平傳播、系統(tǒng)發(fā)育關系較遠昆蟲種間的水平傳播及昆蟲與其他節(jié)肢動物間的水平傳播。這3種途徑在傳播過程中可能受到諸如昆蟲遷飛、非適齡交配、極端高溫等因素影響[25]。

目前不同宿主間負責內(nèi)共生菌傳播的生態(tài)分子機制尚不清楚[26]，近年研究也取得了突破性進展。Vijendravarma等[27]發(fā)現(xiàn)D.melanogaster幼蟲有噬食同類(cannibalism)的現(xiàn)象，而Faria[26]發(fā)現(xiàn)噬食同類是Wolbachia在果蠅個體間水平傳播的機制之一。Brown & Lloyd[28]還發(fā)現(xiàn)了果蠅通過體外寄生的螨蟲在個體間水平傳播Wolbachia的證據(jù)。

3 Wolbachia感染對果蠅的影響

大量文獻揭示了Wolbachia通過不同方式影響或調(diào)控宿主果蠅的生殖活動，包括誘導細胞質(zhì)不親和、誘導殺雄。此外，Wolbachia也對宿主果蠅壽命、嗅覺反應等產(chǎn)生影響。Wolbachia誘導的孤雌生殖(parthenogenesis induction, PI)與CI相似，發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期，但此現(xiàn)象僅發(fā)現(xiàn)在一些寄生蜂、螨類和薊馬中，果蠅研究中未見報道。雌性化(feminization)也是Wolbachia影響宿主的一種重要方式，最早在等足目昆蟲中被發(fā)現(xiàn)，后來在鱗翅目和膜翅目中也發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象，但迄今未見Wolbachia引起果蠅雌性化的報道。

3.1 誘導細胞質(zhì)不親和

細胞質(zhì)不親和(cytoplasmic incompatibility，CI)是Wolbachia引起的宿主中最普遍的一種表型，當感染W(wǎng)olbachia的雄性宿主和未感染W(wǎng)olbachia或感染不同品系Wolbachia的雌性宿主交配后，受精卵不能正常發(fā)育，在胚胎期死亡的現(xiàn)象。目前對CI機理的探索主要集中在細胞學水平上，而分子機理上的探索則在轉(zhuǎn)錄組、基因組和miRNA水平上對部分昆蟲展開研究。但CI受到宿主遺傳背景、Wolbachia株系、環(huán)境等因素的影響[29]。

目前Wolbachia引起CI的分子機制尚不明確[30]，但“鎖-鑰匙”模型(1ock and key model)、“移除-歸還”模型(titration-restitution model)和“減速”模型(slow-motion model)可在一定程度上解釋自然界中Wolbachia引起的CI表型[31]?！版i-鑰匙”模型認為Wolbachia對父系精子進行修改(上“鎖”)，使父系染色體不能正確表達而導致發(fā)育停止，胚胎死亡。但如果卵細胞中存在相同類型的Wolbachia(鎖的“鑰匙”)，能使父系染色體功能得到恢復，胚胎正常發(fā)育。該模型與1998年Bourtzis等研究的“修飾”(modification)和“營救”(rescue)功能不同，是由不同基因決定的。“移除-歸還”模型即Wolbachia鎖定宿主的某些蛋白質(zhì)并與其結(jié)合，從成熟的精母細胞中共同移除，使父系染色體不能正常發(fā)育。但如果卵細胞中存在相同的Wolbachia，可使受精后缺失的染色體蛋白質(zhì)得到歸還，胚胎由此得以正常發(fā)育?！皽p速”模型認為雌性可產(chǎn)生與父系染色體結(jié)合的減速因子，使父系染色體發(fā)育減緩，不能與母系染色體發(fā)育同步，最終導致胚胎發(fā)育終止；倘若父系和母系感染同種類型的Wolbachia，二者在發(fā)育上仍可保持同步，胚胎能夠正常發(fā)育。以上3個模型都存在缺陷，但把CI機制分為兩部分來解釋，使研究者更容易理解。

研究者們近年來對Wolbachia引起果蠅的CI進行了一系列研究。Awrahman等[29]通過不同齡期處女D.simulans交尾實驗，發(fā)現(xiàn)感染W(wǎng)olbachia的D.simulans交尾率比未感染的高，且交尾過程中與未感染的D.simulans相比，感染非處女雄性D.simulans精子轉(zhuǎn)移較少；也進一步揭示D.simulans的年齡、交尾史和Wolbachia共同對CI產(chǎn)生影響。Richardson等[32]在澳大利亞熱帶果蠅D.pandora種群實驗中，調(diào)查Wolbachia誘導的CI和殺雄兩種表型，發(fā)現(xiàn)D.pandora種群內(nèi)稀有的殺雄菌不會引起CI，且在D.pandora種群中共存殺雄菌株和CI菌株。Cooper等[33]對D.yakuba復合種中D.yakuba、D.santomea和D.teissieri三個物種長期研究后首次發(fā)現(xiàn)Wolbachia能引起種內(nèi)或種間CI，且Wolbachia感染的雌果蠅可能對種內(nèi)或種間CI有保護作用。另外，Wolbachia感染導致D.melanogaster體內(nèi)mRNA和zipper基因表達上調(diào)，并誘導無Wolbachia感染的轉(zhuǎn)基因D.melanogaster的zipper過度表達，導致產(chǎn)生類似CI關聯(lián)的受精缺陷的父系損傷，表明Wolbachia能影響D.melanogaster精子發(fā)生過程中細胞骨架活動的關鍵調(diào)節(jié)因子的表達[34]。Yuan等[30]對Wolbachia誘導D.melanogaster的 CI分子機制進行定量蛋白質(zhì)組學分析，指出改變精液蛋白表達可能是Wolbachia誘導CI的分子機制之一。Xi等[35]研究果蠅S2細胞株與Wolbachia的相互作用，發(fā)現(xiàn)Wolbachia還可調(diào)節(jié)宿主熱激蛋白的表達，從而誘導CI發(fā)生。此外，對Wolbachia影響果蠅Hira基因表達水平的研究也表明該基因與Wolbachia誘導的CI現(xiàn)象有關，由此推測Wolbachia感染導致雄性果蠅Hira基因表達下調(diào)可能是引起CI的分子機制之一。

3.2 誘導殺雄

殺雄(male-killing)是指節(jié)肢動物中通過細胞質(zhì)遺傳的某些微生物引起宿主雄性胚胎或幼體的死亡。目前由Wolbachia引起的殺雄表型在昆蟲研究中相對比較普遍。果蠅研究發(fā)現(xiàn)了由Wolbachia引起的殺雄現(xiàn)象[36]，但并不多見。殺雄作用有早期殺雄和晚期殺雄兩種形式，前者發(fā)生在胚胎發(fā)育階段，后者發(fā)生在幼蟲階段或蛹期，且幼蟲階段或蛹期的殺雄作用中，雄性致死可增加Wolbachia水平傳遞的機會[37]。

兩種殺雄形式在果蠅中均有發(fā)現(xiàn)[38]。果蠅種群水平研究揭示，在競爭激烈、近交退化、相互作用的姊妹種中，Wolbachia感染導致的殺雄作用在種群中可能是最易擴散的[39]。宿主可能以與殺雄表型無關的方式從Wolbachia中直接受益，因此，誘導殺雄的細菌在果蠅物種中也相對更常見[40]。有研究表明部分殺雄可以達到很高的頻率，從而改變宿主的交配系統(tǒng)，以適應雄性個體缺乏[41]。此外，宿主的殺雄抑制基因型可以在感染群體中快速蔓延，對殺雄作用產(chǎn)生影響，果蠅這方面的研究還有待挖掘。

誘導殺雄的細胞學機制研究近年持續(xù)深入。Riparbelli等[42]研究發(fā)現(xiàn)Wolbachia特異性地作用于雄性果蠅染色質(zhì)重構(gòu)，從而影響其胚胎發(fā)育，擾亂有絲分裂紡錘體組裝和染色體行為。這項研究是有關Wolbachia誘導殺雄細胞學機制的開端，為進一步研究該現(xiàn)象的分子機制奠定基礎。Wolbachia引起的殺雄作用與多種殺雄因素有關，其中與宿主性別決定系統(tǒng)有著密切關系，但具體分子機制尚不清楚。

3.3 Wolbachia對果蠅其他方面的影響

Zug & Hammerstein評述了Wolbachia對宿主另外一些方面的影響，包括增加壽命、病原體抑制及營養(yǎng)供應等[43]。Poinsot和Mer?ot利用抗生素清除果蠅中的Wolbachia后發(fā)現(xiàn)雌性果蠅個體的生殖力下降，3代后其生殖力與共生Wolbachia的果蠅個體相同[44]。Hamm等[45]發(fā)現(xiàn)感染W(wǎng)olbachia的雌性D.suzukii生殖力下降，但產(chǎn)生的后代數(shù)量與沒有感染的雌果蠅無顯著差異。Mazzetto等[46]研究發(fā)現(xiàn)Wolbachia和D.suzukii兩者間的互利共生關系導致感染W(wǎng)olbachia的雌性D.suzukii生殖力增加，這與Hamm的研究結(jié)果不一致，進一步分析兩者的共生互作，有助于研究防控D.suzukii的策略。

并非所有Wolbachia品系都會對宿主產(chǎn)生生殖調(diào)控作用。Charlat等[47]對非洲加蓬地區(qū)D.yakuba種群研究發(fā)現(xiàn)，與該種群共生的Wolbachia對雌性果蠅個體生殖力沒有明顯影響，其作用為中性或接近中性。通過研究感染W(wǎng)olbachia的雌性D.melanogaster揭示了Wolbachia不同基因型可能會調(diào)控宿主的生殖力，進一步推測Wolbachia的基因型是D.melanogaster種群中細菌特異性擴散的因素之一[48]。Wolbachia對雌性果蠅生殖力的影響可能與感染W(wǎng)olbachia的種類、密度及宿主活動等生物因素有關，也可能受到環(huán)境溫度、濕度等非生物因素的影響。這為研究果蠅種群遺傳學、基因組學乃至利用果蠅中Wolbachia進行有害生物防控提供新的思路。

Wolbachia對果蠅壽命的影響表現(xiàn)為延長或縮短。Chrostek & Teixeira認為Wolbachia的wMelPop株系大量擴增使D.melanogaster壽命縮短是一種有害的作用[49]。齊琳等[50]研究也表明感染W(wǎng)olbachia的D.melanogaster生殖力減退，幼蟲發(fā)育歷期延長、死亡率增加、成蟲壽命縮短。但迄今為止，Wolbachia影響果蠅壽命的主要分子機制仍不清楚[6]。

Wolbachia除對宿主果蠅進行生殖調(diào)控外，還提供保護。在不同宿主遺傳背景下，Wolbachia菌株wSuz在D.suzukii受到果蠅C病毒和獸棚病毒侵害時，能保護D.suzukii并抵抗兩種RNA病毒，但這種抗病毒保護在宿主譜系間是極其易變的，也進一步解釋了wSuz能長期存于自然種群的原因[51]。wMelCS菌株和wMelPop菌株在果蠅受到蟋蟀麻痹病毒和果蠅C病毒等侵襲時，能延緩宿主死亡[52]。另外，Osborne等[53]研究表明Wolbachia能夠增加果蠅的免疫力。Shokal等[54]研究表明D.melanogaster的免疫應答受到體內(nèi)共存的Wolbachia和Spiroplasma的影響，進而抵抗昆蟲致病菌和非致病菌。

Wolbachia與果蠅的營養(yǎng)代謝也存在一定的關系。當D.simulans面臨鐵營養(yǎng)脅迫時，Wolbachia能幫助其提高產(chǎn)卵力，表明Wolbachia在某些特定環(huán)境下很可能參與宿主的鐵營養(yǎng)代謝[55]。此外，Peng & Wang以D.simulans為研究對象，采用嗅覺陷阱并結(jié)合T—迷宮法測定了Wolbachia感染對果蠅嗅覺反應的影響，并采用定量PCR法，研究果蠅嗅覺反應能力與其體內(nèi)Wolbachia的密度和4個嗅覺相關基因表達的關系，證實Wolbachia感染能顯著提高D.simulans的嗅覺反應能力，果蠅體內(nèi)Wolbachia的密度越高，嗅覺反應能力越強，且Wolbachia可能通過調(diào)節(jié)宿主相關基因的表達，從而提高宿主嗅覺反應能力[7]。隨著研究的不斷深入，Wolbachia與果蠅間的相互關系將不斷地被挖掘和發(fā)展，現(xiàn)有現(xiàn)象將從遺傳學、基因組學、醫(yī)學等領域在分子水平得到不同角度的解釋。

4 小結(jié)與展望

已描述的果蠅物種已達4000多種，但Wolbachia與果蠅相互作用的研究主要集中于D.melanogaster、D.simulans、D.suzukii等少數(shù)物種，且相關的分子機制尚不清楚。隨著新一代測序技術(shù)的發(fā)展，Wolbachia影響果蠅生殖力、壽命、免疫力、嗅覺反應的分子機制將會得到更深入更全面的揭示。Wolbachia與果蠅之間的關系除受遺傳背景、Wolbachia株系或基因型、共生菌密度、雄蟲年齡、極端高溫以及抗生素等影響外，其功能關系還受蛋白質(zhì)及碳水化合物中碳(C)磷(P)等大量元素的影響[56]，因此研究Wolbachia與果蠅間的相互關系，應考慮更多影響因素。此外，Wolbachia可能作為一個多變的準種存在于一個單一的宿主中，能短時間內(nèi)快速適應新宿主環(huán)境，誘使宿主表型、基因型改變[57]。對此深入研究有助于理解Wolbachia的基本進化過程，并促進對Wolbachia如何調(diào)控果蠅的生殖活動、能否加速果蠅物種的分化和形成、Wolbachia與果蠅間的寄生關系是如何建立并維持等科學問題的研究，進一步推動Wolbachia與其他宿主相互進化的研究。

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