蚜蟲次級內共生菌的多樣性和功能

曾凌達， 劉 倩， 黃曉磊

(閩臺作物有害生物生態(tài)防控國家重點實驗室，福建農(nóng)林大學植物保護學院， 福建 福州350002)

具有刺吸式口器的植食性昆蟲通常取食植物韌皮部汁液，但由于植物韌皮部汁液富含糖分卻缺乏必需氨基酸，因此植食性昆蟲體內含有為其提供必需氨基酸等營養(yǎng)物質的共生菌。例如，蚜蟲類昆蟲本身不能合成多種必需氨基酸，如組氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、色氨酸、纈氨酸、精氨酸等，因此它們體內存在一類專性胞內共生細菌，該菌是呈卵形或球形的革蘭氏陰性菌，隸屬于γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、腸桿菌科(Enterobacteriaceae)、布赫納氏屬(Buchnera)(Munsonet al，1991)，其能夠為蚜蟲寄主提供必需氨基酸等營養(yǎng)物質，對于蚜蟲營養(yǎng)代謝和正常發(fā)育有重要貢獻(Munsonet al，1991；Douglas，1998；Sandstr?met al，1999；黃曉磊等，2011)。 初級內共生菌一般存在于蚜蟲體內特化的組織——含菌胞(bacteriocytes)(黃曉磊等，2011)。

蚜蟲體內還存在一些次級內共生菌(secondary endosymbiont) (表1)。 與初級內共生菌一般存在于蚜蟲體內特化的組織——含菌胞不同，次級內共生菌在含菌胞周圍的鞘細胞、生殖細胞、血淋巴、絳色細胞等內都有發(fā)現(xiàn)，其分布更為分散(Moranet al，2005b；Tsuchidaet al，2010)。 雖然次級內共生菌含量相對較少，但對蚜蟲的生態(tài)行為有重要影響，例如幫助蚜蟲抵御寄生蜂和真菌的侵襲、影響宿主不同體色的形成、提供蚜蟲耐高溫特性等(Scarboroughet al，2005；Tkaczuket al，2007；Oliveret al，2008；Guayet al，2009)。 次級內共生菌相關研究不但有助于揭示共生菌與昆蟲寄主的復雜關系，而且對理解內共生菌在胞內特化環(huán)境的演化有重要意義。

表1 蚜蟲主要次級內共生菌多樣性及其生態(tài)功能Table 1 Diversity and ecological functions of main secondary endosymbionts in aphids

1 蚜蟲次級內共生菌概述

相較于自由生活的細菌，次級內共生菌在蚜蟲寄主體內能夠生長增殖，能為蚜蟲寄主提供一定的功能，但與專性內共生菌Buchnera與蚜蟲的嚴格共生關系不同，次級內共生菌在蚜蟲體內的存在很多時候是非必需的(Oliveret al，2003)。 根據(jù)野外調查，次級內共生菌在蚜蟲種群中處于中等頻率，并且隨著時間和空間的變化，次級內共生菌的種類和頻率也隨之浮動，體現(xiàn)了一種權衡作用(Russellet al，2013；Weldonet al，2013)。

與初級內共生菌Buchnera一樣，次級內共生菌能夠在蚜蟲體內實現(xiàn)由親代向子代的垂直傳遞。 Russellet al(2003)對蚜總科中15 個亞科的75 種蚜蟲體內的次級共生菌進行16S rDNA測序并構建系統(tǒng)樹，發(fā)現(xiàn)次級內共生菌在進化樹上存在明顯的近期水平轉移。 次級內共生菌被推測可能借助植物韌皮部汁液、寄生蜂產(chǎn)卵器等實現(xiàn)水平轉移，但目前并沒有關于這些推測的直接證據(jù)(Darbyet al，2001；Oliveret al，2010)。

基因漂變和瓶頸效應使得次級內共生菌進化速率要遠高于親緣關系相近的細菌，同時由于蚜蟲體內相對安全穩(wěn)定的環(huán)境，使得次級內共生菌相當數(shù)量的功能基因在共生演化過程中失活甚至丟失，進而促使次級內共生菌和蚜蟲之間的共生關系愈加密切，并促進蚜蟲種群分化和物種形成(Bennettet al，2015)。 以下將主要從次級內共生菌對蚜蟲寄主生態(tài)行為的影響與相關基因組進化的角度對次級內共生菌的研究展開綜述。

2 蚜蟲次級內共生菌的生態(tài)功能

2.1 對蚜蟲生長發(fā)育的影響

普遍認為，在蚜蟲生長發(fā)育過程中，初級內共生菌Buchnera為蚜蟲提供必需氨基酸等營養(yǎng)物質(Douglas，1998)。 但在大蚜亞科(Lachninae)長足大蚜屬(Cinara)物種中發(fā)現(xiàn)，Buchnera的基因存在大量精簡，無法合成維生素B2(riboflavin)，該功能被Serratia symbiotica、X-type、Rickettsia等次級內共生菌取代(Gomez-Valeroet al，2004；Mesegueret al，2017；Russellet al，2017)。 這種多個次級內共生菌協(xié)同提供營養(yǎng)的現(xiàn)象可能在長足大蚜屬分化的早期已經(jīng)形成，并隨著蚜蟲物種分化出現(xiàn)不同次級內共生菌的替代現(xiàn)象。 另一種解釋則是已經(jīng)完成分化的部分長足大蚜物種分別感染了不同的次級內共生菌(Mesegueret al，2017)。 但僅基于16S rDNA 片段開展進化推斷仍有其局限性，因此在將來的研究中依然需要更多的基因和蚜蟲類群檢驗相關假說。

提高種群中雌性個體比率對內共生菌種群的繁衍是有效手段之一。 在一些昆蟲中，沃爾巴克氏體(Wolbachia)能造成胞質不親和從而導致雄性致死現(xiàn)象，被認為是“生殖操縱者”(Hurstet al，2000)。 然而溫帶臭蟲(Cimex lectularius)中的Wolbachia類似于蚜蟲初級內共生菌Buchnera，具有提供生長發(fā)育所需求的營養(yǎng)物質功能(Hosokawaet al，2010)。 有研究發(fā)現(xiàn)在中國荻草谷網(wǎng)蚜(Sitobion miscanthi)體內普遍含有Wolbachia(Wanget al，2009a；Wanget al，2014)，但Wolbachia在該蚜蟲體內是否具有營養(yǎng)功能尚有待檢驗。

2.2 對蚜蟲天敵的抵御

爾埃蚜繭蜂(Aphidius ervi)是豌豆蚜的專性寄生天敵，寄生蜂產(chǎn)卵于蚜蟲體內，幼蟲攝取寄主營養(yǎng)完成發(fā)育并破體羽化，最終導致被寄生的蚜蟲死亡(Oliveret al，2003)。 蚜蟲對于寄生蜂的防御分為生態(tài)防御和生理防御兩類(Schmidet al，2012)。 蚜蟲通過后足的揮舞或者身體的抖動等行為警示并抵御寄生蜂，這些行為防御的有效性隨著蚜蟲蟲齡的增加而上升(Walkeret al，2003；Xuet al，2008)。 另一類則與蚜蟲本身的免疫系統(tǒng)和體內次級內共生菌有關。 Sandrocket al(2010)通過對歐洲不同地區(qū)48 組不同基因型豆蚜和豆柄瘤蚜繭蜂(Lysiphlebus fabarum)組合寄生實驗發(fā)現(xiàn)，不同基因型蚜蟲對寄生蜂抗性并不明顯，暗示蚜蟲免疫系統(tǒng)對寄生蜂作用并不明顯。 Oliveret al(2003)研究發(fā)現(xiàn)豌豆蚜體內的次級內共生菌Hamiltonella defensa和Serratia symbiotica能提高豌豆蚜對爾埃蚜繭蜂的抗性，其中H. defensa抗性最強，S. symbiotica次之。H. defensa能致死蚜蟲體內寄生蜂幼蟲，增加蚜蟲種群的存活率。 隨后的研究發(fā)現(xiàn)，H. defensa的基因組中存在噬菌體APSE 基因，編碼的毒素能夠使蚜蟲若蟲體內的寄生蜂幼蟲畸形化并死亡(Moranet al，2005a；Oliveret al，2009)。 此外，H. defensa所提供的不同抗性水平與寄生蜂和內共生菌的基因型有著密切聯(lián)系(Schmidet al，2012)，說明在漫長的演化中無論是內共生菌還是寄生蜂都發(fā)生了一定程度的?；?。

2.3 對高溫的抗性

當受到高溫熱脅迫時，蚜蟲呈現(xiàn)生長延遲、繁殖速率下降、干重降低等現(xiàn)象，但有些次級內共生菌能夠在蚜蟲高溫處理后增加寄主的生存率和繁殖率(Burkeet al，2011)。 Montlloret al(2002)通過微針注射建立感染次級內共生菌S. symbiotica的豌豆蚜克隆，當高溫處理后，未感染組豌豆蚜體內含菌胞的數(shù)量下降為感染組的7%，高溫導致Buchnera大量削減并影響蚜蟲營養(yǎng)獲得，使其生理代謝紊亂并最終死亡。 而次級內共生菌S. symbiotica的存在使得豌豆蚜在高溫下能保存70%的含菌胞(Montlloret al，2002)，證明了S. symbiotica能在高溫時對Buchnera起保護作用，并能增加高溫處理后豌豆蚜的繁殖率。 次級內共生菌H. defensa和Regiella insecticola對高溫也有一定抗性，能增加熱處理后豌豆蚜的生存能力，但它們對高溫的抗性明顯低于S. symbiotica(Russellet al，2006)。 蚜蟲作為一類起源于北溫帶的昆蟲，當向亞熱帶或熱帶地區(qū)擴散時，高溫是阻礙其擴散的重要原因之一，S. symbiotica似乎能夠幫助蚜蟲向低緯度地區(qū)的擴散。

2.4 對蚜蟲真菌的抵御

Schmidet al(2012)發(fā)現(xiàn)R. insecticola能幫助豌豆蚜抵御新蚜蟲癘霉(Pandora neoaphidis)的侵襲。 此后相關研究發(fā)現(xiàn)豌豆蚜次級內共生菌X-type 也對新蚜蟲癘霉具有抗性，并且X-type對寄生蜂和高溫都有一定的抗性，但這些抗性并非在所有感染X-type 的蚜蟲中都有發(fā)現(xiàn)(Heyworthet al，2015)。 然而X-type 與螺原體屬(Spiroplasma)存在共感染情況，Spiroplasma能夠幫助蚜蟲抵御新蚜蟲癘霉的侵染(Lukasiket al，2013) 。 因此X-type 對真菌的抗性到底緣于增強了Spiroplasma的相關功能，還是它自身的功能，仍然需要進一步研究。

2.5 對蚜蟲體色的相關調控

自然界中，體色在捕食者與被捕食者之間是一種重要的信息交流信號。 豌豆蚜一般分為綠色型和紅色型兩類，根據(jù)以往研究，瓢蟲傾向于取食紅色型豌豆蚜(Loseyet al，1997)，寄生蜂則傾向于寄生綠色型(Libbrechtet al，2007)。

有研究發(fā)現(xiàn)，蚜蟲通過在漫長的進化歷史中將部分真菌基因整合到自身基因組中，從而能夠自我合成類胡蘿卜色素，紅色型個體中含有30 000 堿基區(qū)域負責此類色素的合成，但是在綠色型個體內卻沒有發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域(Moranet al，2010)，這似乎說明蚜蟲的體色由蚜蟲基因決定。 然而，Tsuchidaet al(2010)發(fā)現(xiàn)次級內共生菌Rickettsiella能夠改變豌豆蚜的體色，感染Rickettsiella能夠刺激豌豆蚜產(chǎn)生藍綠色的多環(huán)醌，從而將紅色型個體轉變成綠色，并且綠色程度與Rickettsiella密度呈正相關(Tsuchidaet al，2014)。

在豌豆蚜中H. defensa常伴隨Rickettsiella的感染，兩種次級內共生菌在豌豆蚜體內生態(tài)位類似，H. defensa能夠加強Rickettsiella對豌豆蚜色型的影響(Tsuchidaet al，2014)。 研究發(fā)現(xiàn)采采蠅中內共生菌Wigglesworthia以及佛羅里達弓背蟻(Camponotus floridanus)的內共生菌Blochmannia能夠抑制或修正寄主免疫系統(tǒng)的表達(Wanget al，2009b；Ratzkaet al，2013)，因此是否說明由于H. defensa對蚜蟲免疫系統(tǒng)的壓制間接促進Rickettsiella感染成功率的提高，進而造成色型的加深，還有待以后更深入的研究。

2.6 對蚜蟲寄主利用的影響

不同的植物能產(chǎn)生不同的次生代謝物，對于廣食性或者多食性的物種來說，如何降解不同植物上的有毒次生代謝物是利用多類寄主植物的前提。 Tsuchidaet al(2004)通過對日本豌豆蚜的調查和微針注射轉移實驗發(fā)現(xiàn)，相比于野豌豆(Vicia sativa)，R. insecticola能夠增加豌豆蚜在白車軸草(Trifolium repens)上的表現(xiàn)。 然而，以美國加利福尼亞地區(qū)的豌豆蚜為對象，基于抗生素清除實驗，Leonardo(2004)發(fā)現(xiàn)R.insecticola并不影響白車軸草上豌豆蚜的表現(xiàn)。 這兩項研究得出了沖突性的結果，暗示R.insecticola對蚜蟲寄主利用的影響具有復雜性(Ferrariet al，2007)。 此外，考慮到生活在白車軸草上的豌豆蚜更易被新蚜蟲癘霉寄生(Tsuchidaet al，2004)，R. insecticola對豌豆蚜在白車軸草上表現(xiàn)的提高究竟是由于其幫助蚜蟲抵御真菌的侵襲，還是其能夠直接影響豌豆蚜對寄主植物的利用，依然需要更多的驗證(Oliveret al，2010)。

3 蚜蟲次級內共生菌基因組研究進展

相較于自由生活的細菌，內共生菌的胞內共生環(huán)境和垂直傳遞的特性導致其受到的瓶頸效應更強，漂變和突變固定速率更快，因而造成了內共生菌快速的進化和基因組不斷精簡的現(xiàn)象。 Degnanet al(2009)測得H. defensa基因組由2 110 331 bp 的環(huán)狀染色體和59 034 bp 的質粒組成，GC 含量分別為40.1%和45.3%，富含轉座子。 根據(jù)基因集，H. defensa能合成2 類必需氨基酸和7 類非必需氨基酸，表明H. defensa與寄主之間存在著長期的共生關系(Moranet al，2005a)。 與蚜蟲寄主類似，H. defensa所需的部分營養(yǎng)物質也要從蚜蟲初級內共生菌Buchnera獲得(Degnanet al，2009)。 與專性共生菌Buchnera不同，H. defensa能夠自主合成細胞壁等組織，并具有T3SS 分泌系統(tǒng)，這可能是H. defensa能夠入侵感染寄主的重要渠道(Degnanet al，2009)。

不同株型的內共生菌的基因組也存在巨大差別，例如柏大蚜中次級內共生菌S. symbiotica基因組的GC 含量約占52.1%，而在雪松長足大蚜中約為29.2%，柳瘤大蚜中則低至20.9%(Manzano-Marinet al，2016)。 碗豆蚜中S. symbiotica編碼基因占87.9%，相比之下柏大蚜和雪松長足大蚜中則大幅下降為53.4%和39% (Manzano-Marinet al，2016)。 這可能是由于長足大蚜屬物種與S. symbiotica在演化過程中形成了更加專性的營養(yǎng)共生關系，導致其基因組更加精簡。

近期也有研究發(fā)現(xiàn)豌豆蚜體內的功能基因ldcA和rlpA來源于次級內共生菌Wolbachia，并且在含菌胞內高表達(Nikohet al，2009)，系統(tǒng)發(fā)生關系也說明蚜蟲通過水平轉移從次級內共生菌中獲得相關功能基因用于自身發(fā)育。 與初級內共生菌Buchnera的基因組相對穩(wěn)定不同，次級內共生菌的基因組往往具有更大變異(Oliveret al，2010)。 伴隨著越來越多次級內共生菌基因組的獲得，我們將在重要功能基因的注釋和相關代謝途徑的解析方面取得更大進展。

4 結語和展望

本文總結了蚜蟲體內次級內共生菌的相關研究進展，從次級內共生菌對蚜蟲生態(tài)影響、基因組進化角度簡述了次級內共生菌相關功能以及基因組的研究進展。 雖然次級內共生菌在蚜蟲體內含量相對較少且分布規(guī)律不明顯，但它們對蚜蟲的體色、生殖、寄生蜂抗性等有著重要影響。 研究發(fā)現(xiàn)自然界中的蚜蟲常存在兩種或者兩種以上次級內共生菌共感染的現(xiàn)象(Oliveret al，2006；Cockburnet al，2013)。 此外，研究發(fā)現(xiàn)蚜蟲體內與革蘭氏陰性細菌有關的免疫基因，例如免疫缺陷(IMD)信號途徑、抗菌肽、肽聚糖受體蛋白等均存在明顯缺失(Gerardoet al，2010；Richardset al，2010；Bennettet al，2015)，同時次級內共生菌的基因組也往往有明顯的精簡(Degnanet al，2009；Manzano-Marinet al，2016)，表明在長期的共生過程中無論是蚜蟲寄主還是內共生菌都做出了“讓步”。 次級內共生菌在蚜蟲體內特定的胞內環(huán)境中必然面臨著資源競爭和限制，那么不同次級內共生菌之間的關系是拮抗還是協(xié)作，將來仍需要更多的研究。

從宏進化角度看，內共生菌或許能促進蚜蟲寄主利用和種群分化，增加生物的多樣性，而在特定的時間尺度內，內共生菌與蚜蟲寄主之間更多朝著專性共生關系演化(Bennettet al，2015)。 伴隨著越來越多次級內共生菌基因組的獲得，以及對更多基因的注釋及相關功能研究的深入，有助于進一步了解內共生菌、宿主、天敵乃至寄主植物之間的關系。