鱗翅目昆蟲內(nèi)共生菌研究進展

劉 媛, 王 浩, 王志鵬, 陳利民, 王亞如, 侯有明,*

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)植物保護學(xué)院, 閩臺作物有害生物生態(tài)防控國家重點實驗室, 生物農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點實驗室,福州 350002; 2. 福建省昆蟲生態(tài)重點實驗室, 福州 350002)

昆蟲在自然界中種類豐富，數(shù)量龐大，已知60%以上的昆蟲都含有內(nèi)共生菌。內(nèi)共生菌與昆蟲的相互作用不僅是親密的，往往還錯綜復(fù)雜，在長期的協(xié)同進化過程中，內(nèi)共生菌一般生活在宿主特化的含菌細胞內(nèi)，宿主昆蟲為其提供生長所必需的小生境；而內(nèi)共生菌能賦予宿主昆蟲新的生物學(xué)效應(yīng)(Latorre and Manzano-Marín, 2017)，在宿主的生長發(fā)育、生殖調(diào)控、環(huán)境適應(yīng)、遺傳進化等諸多方面發(fā)揮重要作用(Cardozaetal., 2006; Oliveretal., 2009)，它們彼此相互依賴、相互影響、協(xié)同進化(Baumannetal., 1995)。

近年來，昆蟲與其體內(nèi)共生菌的互作關(guān)系受到越來越多的關(guān)注。由于內(nèi)共生菌無法離體培養(yǎng)，對其研究只能以宿主昆蟲為載體，所以建立有或沒有某種共生菌的昆蟲種群體系已被證明是一個強有力的手段，對于有效評估單個或多個共生菌在復(fù)雜生物體中發(fā)揮的潛在作用等提供了可能，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)(Liuetal., 2020)。目前國內(nèi)外關(guān)于昆蟲內(nèi)共生菌的研究大多以半翅目(Hemiptera)和雙翅目(Diptera)昆蟲為主，如豌豆蚜Acyrthosiphonpisum(Wangetal., 2020)、煙粉虱Bemisiatabaci(Shanetal., 2021)、灰飛虱Laodelphgaxstriatellus(Duanetal., 2020)、黑腹果蠅Drosophilamelanogaster(Mazzuccoetal., 2020)、尖音庫蚊Culexpipiens(Altinlietal., 2020)及白紋伊蚊Aedesalbopictus(Huetal., 2020)等。

目前，鱗翅目(Lepidoptera)昆蟲與其體內(nèi)共生菌作用的模式和機制研究正在受到越來越多的關(guān)注和重視。鱗翅目是昆蟲綱中僅次于鞘翅目(Coleoptera)的第2大目，包括蛾、蝶兩類昆蟲，屬有翅亞綱(Pterygota)，全變態(tài)類昆蟲。全世界已知鱗翅目昆蟲約20萬種，中國已知約8 000種(其中，蛾類約6 000種，蝶類約2 000種)，分布范圍也極廣，以熱帶種類最為豐富。它們主要作為植食者、傳粉者在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮作用。關(guān)于鱗翅目昆蟲生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、遺傳進化學(xué)等方面的研究多有涉及，但直到近期，鱗翅目昆蟲與其體內(nèi)共生菌的互作關(guān)系才成為研究的熱點之一。本文主要以鱗翅目昆蟲為研究對象，闡述鱗翅目昆蟲體內(nèi)共生菌感染狀況、傳播方式、生物學(xué)效應(yīng)及研究手段，并對今后的研究進行展望，以期為探索基于內(nèi)共生菌-鱗翅目昆蟲互作關(guān)系的新型害蟲防治策略提供參考。

1 鱗翅目昆蟲內(nèi)共生菌感染狀況

昆蟲內(nèi)共生菌指生活在昆蟲細胞內(nèi)部的共生菌，并被宿主來源的共生體膜(symbiosomal membranes)單獨包裹(Schwartzmanetal., 2015)。昆蟲內(nèi)共生菌主要包括細菌和真菌2類，根據(jù)內(nèi)共生菌在宿主昆蟲體內(nèi)的分布及其與宿主的進化關(guān)系，可將其分為原生共生菌(primary symbiont)和次生共生菌(secondary symbiont)(Baumann, 2005; 李遷等, 2016)。在長期的協(xié)同進化中，昆蟲體內(nèi)的原生共生菌如煙粉虱B.tabaci體內(nèi)的CandidatusPortiera aleyrodidarum(Santos-Garciaetal., 2012)、豌豆蚜A.pisum體內(nèi)的Buchneraaphidicola(Russelletal., 2014)、木虱體內(nèi)的Carsonellaruddii(Morrowetal., 2017)、粉蚧體內(nèi)的Trenblayaprinceps(López-Madrigaletal., 2015)，它們一般分布于宿主特化的含菌細胞內(nèi)。與原生共生菌不同，次生共生菌個體小、形狀不規(guī)則、分布廣泛，主要有Wolbachia,Spiroplasma,Rickettsia,Cardinium及Arsenophonus等。它們不僅可以分布于含菌細胞內(nèi)，也可以分布于宿主昆蟲的血淋巴、馬氏管、生殖器官以及唾液腺等組織中(Bi and Wang, 2020)。

自然界中，許多昆蟲都攜帶內(nèi)共生菌，主要包括半翅目、雙翅目、膜翅目(Hymenoptera)、鞘翅目、鱗翅目、直翅目(Orthoptera)(Werrenetal., 1995; Vavreetal., 2002)。需要強調(diào)的是，同半翅目、雙翅目昆蟲相比，鱗翅目昆蟲內(nèi)共生菌群落多樣性相對較低，主要以次生共生菌Wolbachia為主，少數(shù)物種也感染有Spiroplasma,Arsenophonus及Rickettsia(Duplouy and Hornett, 2018)。具體如：Russell等(2012)對螞蟻和鱗翅目[特別是灰蝶科(Lycaenidae)和蛺蝶科(Nymphalidae)]的內(nèi)共生菌Wolbachia,Spiroplasma,Cardinium,Hamiltonella及Arsenophonus的感染情況進行檢測，研究發(fā)現(xiàn)鱗翅目灰蝶科和蛺蝶科中，24.7%的種類僅存在Wolbachia，2.5%的種類僅存在Spiroplasma，而Cardinium,Hamiltonella及Arsenophonus在鱗翅目昆蟲中均未檢測到。柴換娜等(2013)研究指出黑龍江哈爾濱、貴州惠水、吉林吉林、河南南陽及江蘇揚州水稻二化螟Chilosuppressalis5個地理種群體內(nèi)Arsenophonus的感染率為5.0%～50.0%。Weinert等(2015)研究指出Rickettsia在鱗翅目昆蟲中也罕見，在14～32個未定名的物種中僅1個物種(夜蛾科)受到感染。

昆蟲及其他節(jié)肢動物內(nèi)共生菌的研究大多集中在Wolbachia。Wolbachia屬變形菌綱(Alphaproteobacteria)立克次氏體目(Rickettsiales)立克次氏體科(Rickettsiaceae)(Hertig and Wolbach, 1924)。根據(jù)多位點序列分型分析(multilocus sequence typing, MLST)，Wolbachia可分為多個超群，其中以A-D超群研究報道最多，而鱗翅目昆蟲感染的Wolbachia多屬于A超群和B超群，且大多都屬于B超群(Tagami and Miura, 2004; Ahmedetal., 2016)。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，Wolbachia在鱗翅目昆蟲中分布最為廣泛，但不同地理種群的鱗翅目昆蟲Wolbachia的感染比例存在差異(表1)。其中，巴拿馬的43種鱗翅目昆蟲中Wolbachia的感染率為16.3%(Werrenetal., 1995)；烏干達的24種鄰珍蝶屬Acraea蝴蝶中Wolbachia的感染率為29.0%(Jigginsetal., 2001)；日本的9科鱗翅目中，有7科[粉蝶科(Pieridae)、灰蝶科、蛺蝶科、弄蝶科(Hesperiidae)、螟蛾科(Pyralidae)、夜蛾科(Noctuidae)、枯葉蛾科(Lasiocampidae)]感染W(wǎng)olbachia(占比77.8%)，僅2科[鳳蝶科(Papilionidae)、鳳蛾科(Epicopeiidae)]中未檢測到Wolbachia，且在49種鱗翅目昆蟲中有22種(菜粉蝶Pierisrapae、寬邊黃粉蝶Euremahecabe、東亞豆粉蝶Coliaseratepoliographus、斯赭灰蝶Ussurianastygiana、藍灰蝶Everesargiades、酢漿灰蝶Zizeeriamahaargia、紅灰蝶Lycaenaphlaeas、翠藍眼蛺蝶Junoniaorithya、黃鉤蛺蝶Polygoniacaureum、美眼蛺蝶Junoniaalmanac、朱蛺蝶Nymphalisxanthomelas、幻紫斑蛺蝶Hypolimnasbolina、擬旖斑蝶Ideopsissimilis、樸喙蝶Libytheaceltis、擬稻眉眼蝶Mycalesisfrancisca、東北矍眼蝶Ypthimaargus、小弄蝶Leptalinaunicolor、玉米螟Ostriniascapulalis、地中海粉螟Ephestiakuehniella、紅棕灰夜蛾Sarcopoliailloba、甘藍夜蛾Mamestrabrassicae、赤松毛蟲Dendrolimusspectabilis)感染W(wǎng)olbachia(占比44.9%)(Tagami and Miura, 2004)；印度的56種蝴蝶Wolbachia的感染率為50.0%(Salunkeetal., 2012)；西西伯利亞的120種鱗翅目昆蟲Wolbachia的感染率為58.3%(Ilinsky and Kosterin, 2017)。Ahmed等(2015a)對全球36個國家(指除南極洲以外的所有大陸)的10總科17科300種7 604頭鱗翅目昆蟲進行研究，結(jié)果表明鱗翅目中25.0%～33.4%的昆蟲個體、80.0%的昆蟲物種被Wolbachia感染，并指出鱗翅目昆蟲體內(nèi)Wolbachia的感染流行率與宿主地理位置的緯度梯度存在顯著相關(guān)性，其中Wolbachia感染頻率較低的宿主多位于緯度較高的地區(qū)。

2 鱗翅目昆蟲內(nèi)共生菌的傳播方式

昆蟲內(nèi)共生菌常呈嚴格的母系垂直傳播，即由雌性帶菌昆蟲經(jīng)卵傳給后代，是典型的“過卵巢傳播”模式(安鵬等, 2019)，Shan等(2021)也揭示了Rickettsia隨著宿主昆蟲的卵子發(fā)生和胚胎發(fā)育，到達和進入子代體內(nèi)的途徑與機制。值得一提的是，昆蟲內(nèi)共生菌的垂直傳播并非一成不變，在進行垂直傳播的同時也會發(fā)生小比例的水平傳播(Ahmedetal., 2015b; 劉媛等, 2020)，這也解釋了為什么內(nèi)共生菌在節(jié)肢動物中如此豐富，為什么親緣關(guān)系相距甚遠的昆蟲可以感染有相同或相似的內(nèi)共生菌。而內(nèi)共生菌能成功地在鱗翅目等其他昆蟲種內(nèi)或種間進行水平傳播，主要取決于內(nèi)共生菌的種類、豐度及其定殖新宿主的存活能力。

現(xiàn)提出的水平傳播途徑主要有植物介導(dǎo)的水平傳播、寄生蜂介導(dǎo)的水平傳播、兩性交配介導(dǎo)的水平傳播及其他途徑(劉媛等, 2020)。 Ahmed等(2016)通過Wolbachia的多位點序列分型分析(MLST)及其與鱗翅目昆蟲的基因組學(xué)等技術(shù)，在31個宿主昆蟲中發(fā)現(xiàn)了至少 7個可能的水平傳播案例， 其中既有涉及鱗翅目昆蟲種內(nèi)的，也有鱗翅目與其他節(jié)肢動物之間的水平傳播，也指出了共享同一食物來源、相同的天敵都是水平傳播的可能途徑，為Wolbachia的水平傳播補充了鱗翅目的證據(jù)。同時，有研究發(fā)現(xiàn)Wolbachia的序列型ST19可能通過寄主植物或寄生蜂介導(dǎo)實現(xiàn)在鱗翅目、膜翅目、鞘翅目昆蟲中傳播(Masuietal., 2000; Bordenstein and Wernegreen, 2004)。 Jiggins等(2000a)研究表明，在鄰珍蝶Acraeaencedana中，宿主體內(nèi)的Wolbachia可能是物種間水平轉(zhuǎn)移的，也有可能是母系傳播的。當然，水平傳播也會對受體鱗翅目昆蟲產(chǎn)生積極的影響，如水平傳播的DNA細菌已經(jīng)在幾種蛾類和蝶類中鑒定出能參與氰化物解毒，這使得這些鱗翅目昆蟲能夠利用原本有毒的植物(Wybouwetal., 2014)。然而，在宿主基因組中發(fā)現(xiàn)DNA細菌并不一定意味著功能性，許多水平傳播的Wolbachia基因在宿主中沒有以顯著水平表達(Dunning Hotoppetal., 2007; Nikohetal., 2008)。噬菌體WO在細胞內(nèi)共生菌基因組間是頻繁橫向轉(zhuǎn)移的，而它的基因轉(zhuǎn)移可以驅(qū)動細胞內(nèi)共生菌基因組的有利進化(Bordenstein and Wernegreen, 2004)。

表1 鱗翅目昆蟲體內(nèi)共生菌感染情況Table 1 Infection status of the endosymbionts in lepidopteran insects

3 鱗翅目昆蟲內(nèi)共生菌的生物學(xué)效應(yīng)

3.1 影響宿主昆蟲的生長發(fā)育

越來越多的研究表明，昆蟲內(nèi)共生菌通常被認為可以提高鱗翅目昆蟲自身的適合度，使其朝著互利共生進化(Duplouy and Hornett, 2018)。ukasiewicz等(2016)研究揭示了阿波羅絹蝶Parnassiusapollo翅畸形(包括變形與縮小)與Wolbachia缺失的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)(86.0%)正常有翅蝴蝶感染有Wolbachia，而Wolbachia在70%翅畸形蝴蝶中均未檢測到其存在。雖然這種現(xiàn)象的機制還有待闡明，但有人認為Wolbachia可能在阿波羅絹蝶的個體發(fā)育中起保護作用，只是它們的前后因果關(guān)系還有待進一步研究。此外，昆蟲內(nèi)共生菌還可以提高宿主利用寄主植物營養(yǎng)資源的能力，Kaiser等(2010)研究發(fā)現(xiàn)，斑幕潛葉蛾P(guān)hyllonorycterblancardella能夠利用體內(nèi)的共生菌(最有可能是Wolbachia)增加植物枯黃葉片內(nèi)的細胞分裂素，使得枯黃葉片上的被取食部位成“綠島”狀，進而使斑幕潛葉蛾獲得更多的營養(yǎng)物質(zhì)滿足自身生長所需。然而，并非所有的內(nèi)共生菌都對鱗翅目昆蟲的發(fā)育有利，Herren等(2007)研究發(fā)現(xiàn)，金斑蝶的前翅長度與Spiroplasma的存在呈負相關(guān)，同時，該菌可能對幼蟲的發(fā)育歷期、生長率產(chǎn)生不利影響。

3.2 參與宿主昆蟲的生殖調(diào)控

昆蟲內(nèi)共生菌作為生殖調(diào)控因子在自然界普遍存在，如Wolbachia,Spiroplasma,Rickettsia,Cardinium及Arsenophonus，而最受關(guān)注且研究最多的是Wolbachia。在鱗翅目昆蟲中，目前已知Wolbachia主要以誘導(dǎo)殺雄(male killing)、雌性化(feminisation)及細胞質(zhì)不親和(cytoplasmic incompatibility)3種方式，調(diào)控鱗翅目昆蟲的生殖和發(fā)育(Duplouy and Hornett, 2018)。值得一提的是，除Wolbachia外，其他內(nèi)共生菌(Spiroplasma等)也在鱗翅目昆蟲的生殖調(diào)控方面發(fā)揮著重要作用(圖1; 表2)(Werrenetal., 2008; 朱翔宇等, 2020)。

圖1 鱗翅目昆蟲體內(nèi)共生菌的生殖調(diào)控方式(Werren et al., 2008; 朱翔宇等, 2020)Fig. 1 Reproductive manipulation of endosymbionts in lepidopteran insects (Werren et al., 2008; Zhu et al., 2020)

表2 鱗翅目昆蟲體內(nèi)共生菌參與宿主生殖調(diào)控的相關(guān)研究Table 2 Case studies on the endosymbiont-involved reproductive manipulation in lepidopteran insects

3.2.1殺雄：殺雄，指昆蟲及其他節(jié)肢動物體內(nèi)的共生微生物(細菌、原生生物、線蟲、病毒等)引起宿主雄性后代早期胚胎或幼蟲死亡，從而導(dǎo)致雌性性比明顯偏高的現(xiàn)象。目前，殺雄作用的分子機制尚不完全清楚。有研究指出，殺雄作用與多種因素相關(guān)，Wolbachia也不是殺雄作用唯一的內(nèi)共生菌，其他共生菌如Spiroplasma等也具有殺雄能力(Harumotoetal., 2018)。其中至少25個物種(幻紫斑蛺蝶，金斑蝶，鄰珍蝶屬Acraea的A.encedon和A.encedana，稈野螟屬Ostrinia亞洲玉米螟O.furnacalis、蒼耳螟O.orientalis、豆稈野螟O.scapulalis和扎氏稈野螟O.zaguliaevi，大麗瓢蟲屬Adalia二星瓢蟲A.bipunctata和十星瓢蟲A.decempunctata，十九星瓢蟲Anisostictanovemdecimpunctata，異色瓢蟲Harmoniaaxyridis，龜紋瓢蟲Propyleajaponica，六斑月瓢蟲Menochiliussexmaculatus，潛葉甲Brachystesselatus，黑擬粉甲Triboliummadens，果蠅屬Drosophila黑腹果蠅、雙條白果蠅D.bifasciata、D.nebulosa、D.borealis、D.innubila、D.neocardini、D.ornatifrons和D.paraguayensis，以及擬蝎Cordylochernesscorpioides等)表現(xiàn)出殺雄作用，分別屬于5個目[ (鱗翅目、鞘翅目、雙翅目、半翅目、偽蝎目(Pseudoscorpionida)]，而在鱗翅目中尤為常見(Kageyamaetal., 2012)。在內(nèi)共生菌-鱗翅目昆蟲系統(tǒng)中，有人認為，殺雄不僅能使受感染的雌性個體獲得更多的益處，還可以減少雄性對資源的競爭(Hurst and Majerus, 1993; Hurstetal., 1997)。

最早期的殺雄記錄發(fā)生在野外采集和人工飼養(yǎng)的鄰珍蝶A.encedon、A.encedana、幻紫斑蛺蝶中，Wolbachia被列為是導(dǎo)致殺雄的主要原因(Jigginsetal.,1998, 2000b, 2000c; Hurstetal., 1999; Dysonetal., 2002)。有研究指出，殺雄經(jīng)常以極高的頻率在蝴蝶種群中被報道，例如：殺雄Wolbachia在烏干達的鄰珍蝶A.encedana雌性種群中感染率為95.0%，其中僅6%的野生蝴蝶是雄性(Jigginsetal., 2000c)。Dyson和Hurst(2004)研究也發(fā)現(xiàn)，在薩摩亞群島上感染W(wǎng)olbachia的99.0%雌蝶可以導(dǎo)致雌雄性比100∶1的殺雄結(jié)果。而后黃卷葉蛾Homonamagnanima、豆稈野螟O.scapulalis、亞洲玉米螟及非洲粘蟲Spodopteraexempta的雌蟲感染殺雄Wolbachia株系后，會發(fā)生性別比例扭曲，產(chǎn)生幾乎全部雌性后代(Morimotoetal., 2001; Kageyama and Traut, 2004; Sakamotoetal., 2007; Graham and Wilson, 2012)。此外，扎氏稈野螟Ostriniazaguliaevi體內(nèi)的Spiroplasma也能誘導(dǎo)殺雄(Tabataetal., 2011)。目前，特異性殺雄的確切機制尚不完全清楚，但有研究揭示，同未感染的早期胚胎相比，殺雄Wolbachia顯著降低了亞洲玉米螟雄性基因Masc的表達，而當注射體外轉(zhuǎn)錄的MasccRNA到含Wolbachia的胚胎中時，發(fā)現(xiàn)其可以營救雄性后代，于是得出結(jié)論，Wolbachia誘導(dǎo)的殺雄是由于鱗翅目昆蟲性別決定基因的劑量補償失敗引起的(Fukuietal., 2015)。

3.2.2雌性化：雌性化，指通過某些調(diào)控機制使基因型為雄性的個體表現(xiàn)為雌性表型。其中Wolbachia誘導(dǎo)的雌性化，最典型的研究發(fā)現(xiàn)在甲殼綱等足目的動物中，如大多數(shù)含雌性化寄生性別因子(feminizing parasitic sex factors, PSF)的野生鼠婦Armadillidiumvulgare原則上其所有個體都為遺傳雄性(ZZ)，僅當PSF調(diào)控Z染色體上攜帶的雄性決定因子時才能產(chǎn)生雌性表型(Juchaultetal., 1992)。當然，其他雌性為異性配子的節(jié)肢動物，如葉蟬(XX/X0)、鱗翅目昆蟲(ZZ/ZW)也有相關(guān)報道(Negrietal., 2006)。有研究指出，鱗翅目昆蟲體內(nèi)Wolbachia誘導(dǎo)的遺傳雄性(ZZ)的雌性化表型與正常的雄性個體(ZZ)交配后，所產(chǎn)生的后代都應(yīng)該是雄性個體(ZZ)(董鵬和王進軍, 2006)。需要強調(diào)的是，除Wolbachia外，Cardinium也能在除鱗翅目的其他昆蟲中誘導(dǎo)雌性化(Chigira and Miura, 2005; Groot and Breeuwer, 2006)，且該生殖調(diào)控方式有利于物種進化的多樣性。

目前，雌性化的具體機制尚不完全清楚。Hiroki等(2002)對性別比例有雌性偏向的寬邊黃粉蝶進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這種性別比例的扭曲是由Wolbachia導(dǎo)致的可垂直傳遞的雌性化，但自然種群中Wolbachia的感染動態(tài)及雌性化機制還有待進一步研究。Hiroki等(2004)首次發(fā)現(xiàn)Wolbachia多重感染可以引起寬邊黃粉蝶發(fā)生雙重生殖操縱，包括營救細胞質(zhì)不親和及雌性化。Narita等(2007)為了了解Wolbachia如何以及何時讓基因型為雄性的個體發(fā)生雌性化，用含抗生素的食物飼喂不同齡期的寬邊黃粉蝶，發(fā)現(xiàn)一旦成蟲羽化，它們中許多個體的翅、生殖器官及生殖器均表現(xiàn)出中性表型，其中這些中性表型在1齡幼蟲飼喂處理下發(fā)育的成蟲最為顯著，其次是2, 3和4齡幼蟲，于是得出結(jié)論，抗生素處理可以抑制雌性化的出現(xiàn)。也有研究指出，曼達黃粉蝶Euremamandarina(以前的寬邊黃粉蝶Y型)感染的Wolbachia兩種不同株系(wCIEm和wFemEm)也能誘導(dǎo)基因型為雄性的個體完全雌性化(Naritaetal., 2011)。

3.2.3細胞質(zhì)不親和：細胞質(zhì)不親和，包括單向不親和、雙向不親和兩種形式，也是宿主生殖調(diào)控作用中最常見的一種方式，指未感染雌性個體與感染雄性個體交配產(chǎn)生的后代無法正常發(fā)育。其中影響細胞質(zhì)不親和的因素主要包括宿主遺傳背景、共生菌株系、共生菌基因型、共生菌密度(濃度、滴度)、共生菌分布及環(huán)境因素等(張艷凱等, 2015)。

Wolbachia經(jīng)常被描述可以誘導(dǎo)細胞質(zhì)不親和，許多鱗翅目昆蟲中已經(jīng)觀察到細胞質(zhì)不親和性，如地中海粉螟、粉斑螟Ephestiacautella、東亞豆粉蝶、黃蝶Euremahecabe及幻紫斑蛺蝶(Sasaki and Ishikawa, 1999; Hirokietal., 2004; Hornettetal., 2008; Naritaetal., 2009)。Sasaki 和Ishikawa(1999)研究發(fā)現(xiàn)，粉斑螟體內(nèi)的Wolbachia可以全部誘導(dǎo)細胞質(zhì)不親和，即感染的雄性個體與未感染的雌性個體交配后沒有卵孵化；在日本土浦、橫濱兩地的地中海粉螟中卻表現(xiàn)出部分細胞質(zhì)不親和。當幻紫斑蛺蝶進化出抑制殺雄的Wolbachia株系時，發(fā)現(xiàn)存活的感染雄性與未感染的雌性個體是不相容的(Hornettetal., 2008)。Narita等(2009)研究也發(fā)現(xiàn)，Wolbachia在不同東亞豆粉蝶日本種群中不僅能垂直傳播，還可以誘導(dǎo)細胞質(zhì)不親和。此外，多位點序列分型分析(MLST)揭示了該Wolbachia是序列型ST141，屬B超群。值得一提的是，昆蟲及其他節(jié)肢動物體內(nèi)可以攜帶多種不同表型的Wolbachia株系，如黃蝶感染兩種既能誘導(dǎo)雌性化，也能誘導(dǎo)細胞質(zhì)不親和的Wolbachia株系，這也是首次發(fā)現(xiàn)在同一宿主不同Wolbachia株系中誘導(dǎo)多種不同表型(Hirokietal., 2004)。

3.3 調(diào)控宿主昆蟲對不良環(huán)境的適合度

昆蟲內(nèi)共生菌介導(dǎo)的保護作用，形式極其多樣，主要包括提高宿主對不良環(huán)境(逆境脅迫)的耐受力，對天敵(寄生性天敵、捕食性天敵)、病原微生物(真菌、細菌、病毒等)的防御能力等(Brownlie and Johnson, 2009; Engletal., 2018)。Engl等(2018)研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)共生菌可以通過影響其昆蟲宿主的角質(zhì)層厚度、黑色素及碳氫化合物的分布，進而增強宿主的耐旱性，從而提高其在干燥條件下的適應(yīng)度。也有研究指出，內(nèi)共生菌具有產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì)的能力(如毒素、抗菌物質(zhì)等)，有些昆蟲能夠利用這些物質(zhì)保護自己，免受生物因素、非生物因素的干擾，增強自身對外界刺激的抵抗力，如提高自身存活率、生殖力或天敵死亡率等(Degnan and Moran, 2008; Moranetal., 2008)。Lei等(2020)研究指出，Wolbachia可以提高宿主二化螟對氟蟲腈和阿維菌素的抗性。相反，Graham等(2012)通過田間和室內(nèi)實驗首次報道，非洲粘蟲體內(nèi)的Wolbachia極大地增加了其對非洲粘蟲核型多角體病毒(Spodopteraexemptanucleopolyhedrovirus, SpexNPV)的敏感性，導(dǎo)致宿主昆蟲更高的病毒感染率、死亡率。于是得出結(jié)論，自然界分布廣泛的Wolbachia不僅沒有使宿主非洲粘蟲免受病毒感染，反而使它們更易感，導(dǎo)致宿主的適應(yīng)性降低。但造成這種截然不同結(jié)果的原因尚不完全清楚。

3.4 加快宿主昆蟲的進化

在鱗翅目昆蟲中，內(nèi)共生菌的多樣性不僅會受到非生物因素(地理位置、氣候條件等)的影響，還會受到生物因素(同一宿主體內(nèi)其他內(nèi)共生菌)作用(Kawaharaetal., 2013; Stamatakis, 2014)，而宿主昆蟲與其體內(nèi)共生菌的協(xié)同作用可以導(dǎo)致宿主遺傳進化。如Lohman等(2008)研究發(fā)現(xiàn)，亮灰蝶Lampidesboeticus可能因為感染W(wǎng)olbachia而加速種群進化，而在含兩種Wolbachia株系(wCauA和wCauB)的粉斑螟中，人為將能誘導(dǎo)細胞質(zhì)不親和的wCauA感染到地中海粉螟中，發(fā)現(xiàn)在新宿主中該菌卻誘導(dǎo)殺雄(Sasakietal., 2002, 2005)。也有研究指出，在性別比例嚴重扭曲的情況下，宿主會加快進化的步伐。據(jù)推測，普通卷甲蟲Armadillidiumvulgare以顯性常染色體M基因形式的雄性因子在宿主體內(nèi)進化，來對抗雌性化內(nèi)共生菌帶來的影響(Rigaud and Juchault, 1993; Caubetetal., 2000)。Charlat等(2007)研究也發(fā)現(xiàn)，在2001-2006年，薩摩亞群島上雌雄性別比例100∶1的幻紫斑蛺蝶逐步進化出對殺雄的抗性，使得感染W(wǎng)olbachia的雄性能夠存活，進而在宿主種群中迅速重建1∶1的性別比例。同時，這種關(guān)于殺雄的性別決定抑制基因位于性染色體上(Hornettetal., 2014)。

4 鱗翅目昆蟲內(nèi)共生菌的研究手段

4.1 內(nèi)共生菌的檢測方法

昆蟲內(nèi)共生菌是宿主昆蟲不可或缺的“重要器官”，一般不能在宿主細胞體外獨立生存，只能生活在宿主體內(nèi)，所以很難用傳統(tǒng)的微生物學(xué)方法對其進行研究(Mavinguietal., 2005; Masson and Lemaitre, 2020; 王爭艷等, 2020)，這也一定程度上限制了其發(fā)展。自20世紀80年代中期診斷性聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction, PCR)、克隆和測序等技術(shù)的普及，使從分子水平上對昆蟲內(nèi)共生菌種類鑒定和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的分析成為可能，如Wolbachia一般選取wsp,ftsZ, 16S rDNA及23S rDNA等基因編碼區(qū)設(shè)計特異性引物進行PCR擴增。后來隨著基因組學(xué)和生物信息學(xué)分析(包括微生物基因的高通量擴增子測序、宏基因組學(xué))的應(yīng)用，人們開始認識到所有生物都有可能被各種各樣的微生物感染，包括真菌、細菌和病毒等，大多數(shù)的節(jié)肢動物都攜帶內(nèi)共生菌，而且還可以對單個共生菌、共生菌間及共生菌種群進行功能預(yù)測，分析其與宿主昆蟲生長發(fā)育、生殖調(diào)控、環(huán)境適應(yīng)及遺傳進化等方面的互作關(guān)系(表3)。如Chai和Du(2011)通過Wolbachia的wsp基因測序，指出中國23個地點的二化螟種群Wolbachia的感染情況存在較大差異。Gao等(2019)利用Illumina MiSeq對甜菜夜蛾Spodopteraexigua16S rRNA基因進行測序，研究發(fā)現(xiàn)甜菜夜蛾最主要的兩類共生微生物是變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)，且總體相對豐度為90.03%。Xia等(2017)利用宏基因組學(xué)分析，揭示了小菜蛾P(guān)lutellaxylostella特定腸道細菌在植物細胞壁分解、植物酚類物質(zhì)解毒和氨基酸合成中的重要作用。

表3 鱗翅目昆蟲體內(nèi)內(nèi)共生菌檢測方法的應(yīng)用舉例Table 3 Case studies on detecting methods for endosymbionts in lepidopteran insects

4.2 內(nèi)共生菌的比較基因組學(xué)

隨著高通量測序成本的降低，目前，已有許多利用基因組學(xué)闡述宿主昆蟲與其體內(nèi)共生菌進化及功能的報道。由于大多數(shù)內(nèi)共生菌無法體外培養(yǎng)，且獲得純度高、足夠量的DNA樣品很難直接分離和測序，所以內(nèi)共生菌基因組序列常被作為宿主基因組測序的副產(chǎn)品被回收利用，但隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，大多數(shù)節(jié)肢動物內(nèi)共生菌的基因組已經(jīng)完成測序和組裝，只是涉及鱗翅目昆蟲相關(guān)研究偏少。Lindsey等(2016)對16個Wolbachia基因組進行比較，確定了一個由496組同源基因組成的核心Wolbachia基因組，其中14組是立克次氏體目中Wolbachia所特有的。已有研究表明，對Wolbachia基因組的深入研究，有助于揭示不同株系Wolbachia與其宿主相互作用的分子機制。Duplouy等(2013)通過對密切相關(guān)的幻紫斑蛺蝶體內(nèi)的殺雄Wolbachia株系wBol1b基因組，與尖音庫蚊體內(nèi)誘導(dǎo)細胞質(zhì)不親和Wolbachia株系wPip基因組進行比較分析，發(fā)現(xiàn)了許多對wBol1b特異的基因，而這些基因可能是誘導(dǎo)殺雄的潛在候選基因。值得一提的是，Spiroplasma的基因組也已在許多節(jié)肢動物中完成測序鑒定(Bolaosetal., 2015)，但在鱗翅目昆蟲中尚未報道。

5 小結(jié)與展望

迄今，鱗翅目昆蟲及其體內(nèi)共生菌的互作關(guān)系受到越來越多的關(guān)注。其中大多數(shù)針對鱗翅目昆蟲內(nèi)共生菌的研究，都與Wolbachia有關(guān)，Wolbachia在自然界中高度流行，形式多樣，且在宿主性別決定的進化中發(fā)揮著重要作用，但其背后的分子機制尚待深入研究。當然，我們毫不懷疑鱗翅目昆蟲內(nèi)共生菌的研究仍會以Wolbachia為主，但我們建議應(yīng)該更多地關(guān)注除Wolbachia外的其他內(nèi)共生菌的存在和互作機制研究，因為豐度較低的其他內(nèi)共生菌也可能在宿主昆蟲體內(nèi)參與重要功能。

值得一提的是，隨著微生物群落的高通量擴增子測序、基因組學(xué)、宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)的快速發(fā)展，人們可以借助各種生物技術(shù)手段不斷探索宿主體內(nèi)共生菌的種類、定位、功能及作用。如利用高通量擴增子測序檢測宿主體內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)；運用基因組、宏基因組預(yù)測宿主體內(nèi)共生菌的潛在功能；借助宏轉(zhuǎn)錄組、蛋白組推測宿主體內(nèi)共生菌與宿主的分子功能交流；然后通過代謝組學(xué)分析為宿主體內(nèi)共生菌調(diào)控宿主提供更為直接的代謝證據(jù)。綜上基于多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析，闡明宿主體內(nèi)共生菌誘導(dǎo)表型變化的分子機制。最后，當我們對內(nèi)共生菌-鱗翅目昆蟲系統(tǒng)有了更深的了解，就可以從生產(chǎn)應(yīng)用的角度出發(fā)，利用Wolbachia等其他內(nèi)共生菌的生物學(xué)效應(yīng)，如殺雄、雌性化、細胞質(zhì)不親和等，定向調(diào)控昆蟲內(nèi)共生菌，誘導(dǎo)鱗翅目昆蟲產(chǎn)生新的理想表型，從而形成新的害蟲可持續(xù)綠色防控策略，達到對害蟲生物防治的效果。