蚜虫次级内共生菌的多样性和功能

曾凌达， 刘 倩， 黄晓磊

(闽台作物有害生物生态防控国家重点实验室，福建农林大学植物保护学院， 福建 福州350002)

具有刺吸式口器的植食性昆虫通常取食植物韧皮部汁液，但由于植物韧皮部汁液富含糖分却缺乏必需氨基酸，因此植食性昆虫体内含有为其提供必需氨基酸等营养物质的共生菌。例如，蚜虫类昆虫本身不能合成多种必需氨基酸，如组氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、色氨酸、缬氨酸、精氨酸等，因此它们体内存在一类专性胞内共生细菌，该菌是呈卵形或球形的革兰氏阴性菌，隶属于γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、布赫纳氏属(Buchnera)(Munsonet al，1991)，其能够为蚜虫寄主提供必需氨基酸等营养物质，对于蚜虫营养代谢和正常发育有重要贡献(Munsonet al，1991；Douglas，1998；Sandströmet al，1999；黄晓磊等，2011)。 初级内共生菌一般存在于蚜虫体内特化的组织——含菌胞(bacteriocytes)(黄晓磊等，2011)。

蚜虫体内还存在一些次级内共生菌(secondary endosymbiont) (表1)。 与初级内共生菌一般存在于蚜虫体内特化的组织——含菌胞不同，次级内共生菌在含菌胞周围的鞘细胞、生殖细胞、血淋巴、绛色细胞等内都有发现，其分布更为分散(Moranet al，2005b；Tsuchidaet al，2010)。 虽然次级内共生菌含量相对较少，但对蚜虫的生态行为有重要影响，例如帮助蚜虫抵御寄生蜂和真菌的侵袭、影响宿主不同体色的形成、提供蚜虫耐高温特性等(Scarboroughet al，2005；Tkaczuket al，2007；Oliveret al，2008；Guayet al，2009)。 次级内共生菌相关研究不但有助于揭示共生菌与昆虫寄主的复杂关系，而且对理解内共生菌在胞内特化环境的演化有重要意义。

表1 蚜虫主要次级内共生菌多样性及其生态功能Table 1 Diversity and ecological functions of main secondary endosymbionts in aphids

1 蚜虫次级内共生菌概述

相较于自由生活的细菌，次级内共生菌在蚜虫寄主体内能够生长增殖，能为蚜虫寄主提供一定的功能，但与专性内共生菌Buchnera与蚜虫的严格共生关系不同，次级内共生菌在蚜虫体内的存在很多时候是非必需的(Oliveret al，2003)。 根据野外调查，次级内共生菌在蚜虫种群中处于中等频率，并且随着时间和空间的变化，次级内共生菌的种类和频率也随之浮动，体现了一种权衡作用(Russellet al，2013；Weldonet al，2013)。

与初级内共生菌Buchnera一样，次级内共生菌能够在蚜虫体内实现由亲代向子代的垂直传递。 Russellet al(2003)对蚜总科中15 个亚科的75 种蚜虫体内的次级共生菌进行16S rDNA测序并构建系统树，发现次级内共生菌在进化树上存在明显的近期水平转移。 次级内共生菌被推测可能借助植物韧皮部汁液、寄生蜂产卵器等实现水平转移，但目前并没有关于这些推测的直接证据(Darbyet al，2001；Oliveret al，2010)。

基因漂变和瓶颈效应使得次级内共生菌进化速率要远高于亲缘关系相近的细菌，同时由于蚜虫体内相对安全稳定的环境，使得次级内共生菌相当数量的功能基因在共生演化过程中失活甚至丢失，进而促使次级内共生菌和蚜虫之间的共生关系愈加密切，并促进蚜虫种群分化和物种形成(Bennettet al，2015)。 以下将主要从次级内共生菌对蚜虫寄主生态行为的影响与相关基因组进化的角度对次级内共生菌的研究展开综述。

2 蚜虫次级内共生菌的生态功能

2.1 对蚜虫生长发育的影响

普遍认为，在蚜虫生长发育过程中，初级内共生菌Buchnera为蚜虫提供必需氨基酸等营养物质(Douglas，1998)。 但在大蚜亚科(Lachninae)长足大蚜属(Cinara)物种中发现，Buchnera的基因存在大量精简，无法合成维生素B2(riboflavin)，该功能被Serratia symbiotica、X-type、Rickettsia等次级内共生菌取代(Gomez-Valeroet al，2004；Mesegueret al，2017；Russellet al，2017)。 这种多个次级内共生菌协同提供营养的现象可能在长足大蚜属分化的早期已经形成，并随着蚜虫物种分化出现不同次级内共生菌的替代现象。 另一种解释则是已经完成分化的部分长足大蚜物种分别感染了不同的次级内共生菌(Mesegueret al，2017)。 但仅基于16S rDNA 片段开展进化推断仍有其局限性，因此在将来的研究中依然需要更多的基因和蚜虫类群检验相关假说。

提高种群中雌性个体比率对内共生菌种群的繁衍是有效手段之一。 在一些昆虫中，沃尔巴克氏体(Wolbachia)能造成胞质不亲和从而导致雄性致死现象，被认为是“生殖操纵者”(Hurstet al，2000)。 然而温带臭虫(Cimex lectularius)中的Wolbachia类似于蚜虫初级内共生菌Buchnera，具有提供生长发育所需求的营养物质功能(Hosokawaet al，2010)。 有研究发现在中国荻草谷网蚜(Sitobion miscanthi)体内普遍含有Wolbachia(Wanget al，2009a；Wanget al，2014)，但Wolbachia在该蚜虫体内是否具有营养功能尚有待检验。

2.2 对蚜虫天敌的抵御

尔埃蚜茧蜂(Aphidius ervi)是豌豆蚜的专性寄生天敌，寄生蜂产卵于蚜虫体内，幼虫摄取寄主营养完成发育并破体羽化，最终导致被寄生的蚜虫死亡(Oliveret al，2003)。 蚜虫对于寄生蜂的防御分为生态防御和生理防御两类(Schmidet al，2012)。 蚜虫通过后足的挥舞或者身体的抖动等行为警示并抵御寄生蜂，这些行为防御的有效性随着蚜虫虫龄的增加而上升(Walkeret al，2003；Xuet al，2008)。 另一类则与蚜虫本身的免疫系统和体内次级内共生菌有关。 Sandrocket al(2010)通过对欧洲不同地区48 组不同基因型豆蚜和豆柄瘤蚜茧蜂(Lysiphlebus fabarum)组合寄生实验发现，不同基因型蚜虫对寄生蜂抗性并不明显，暗示蚜虫免疫系统对寄生蜂作用并不明显。 Oliveret al(2003)研究发现豌豆蚜体内的次级内共生菌Hamiltonella defensa和Serratia symbiotica能提高豌豆蚜对尔埃蚜茧蜂的抗性，其中H. defensa抗性最强，S. symbiotica次之。H. defensa能致死蚜虫体内寄生蜂幼虫，增加蚜虫种群的存活率。 随后的研究发现，H. defensa的基因组中存在噬菌体APSE 基因，编码的毒素能够使蚜虫若虫体内的寄生蜂幼虫畸形化并死亡(Moranet al，2005a；Oliveret al，2009)。 此外，H. defensa所提供的不同抗性水平与寄生蜂和内共生菌的基因型有着密切联系(Schmidet al，2012)，说明在漫长的演化中无论是内共生菌还是寄生蜂都发生了一定程度的专化。

2.3 对高温的抗性

当受到高温热胁迫时，蚜虫呈现生长延迟、繁殖速率下降、干重降低等现象，但有些次级内共生菌能够在蚜虫高温处理后增加寄主的生存率和繁殖率(Burkeet al，2011)。 Montlloret al(2002)通过微针注射建立感染次级内共生菌S. symbiotica的豌豆蚜克隆，当高温处理后，未感染组豌豆蚜体内含菌胞的数量下降为感染组的7%，高温导致Buchnera大量削减并影响蚜虫营养获得，使其生理代谢紊乱并最终死亡。 而次级内共生菌S. symbiotica的存在使得豌豆蚜在高温下能保存70%的含菌胞(Montlloret al，2002)，证明了S. symbiotica能在高温时对Buchnera起保护作用，并能增加高温处理后豌豆蚜的繁殖率。 次级内共生菌H. defensa和Regiella insecticola对高温也有一定抗性，能增加热处理后豌豆蚜的生存能力，但它们对高温的抗性明显低于S. symbiotica(Russellet al，2006)。 蚜虫作为一类起源于北温带的昆虫，当向亚热带或热带地区扩散时，高温是阻碍其扩散的重要原因之一，S. symbiotica似乎能够帮助蚜虫向低纬度地区的扩散。

2.4 对蚜虫真菌的抵御

Schmidet al(2012)发现R. insecticola能帮助豌豆蚜抵御新蚜虫疠霉(Pandora neoaphidis)的侵袭。 此后相关研究发现豌豆蚜次级内共生菌X-type 也对新蚜虫疠霉具有抗性，并且X-type对寄生蜂和高温都有一定的抗性，但这些抗性并非在所有感染X-type 的蚜虫中都有发现(Heyworthet al，2015)。 然而X-type 与螺原体属(Spiroplasma)存在共感染情况，Spiroplasma能够帮助蚜虫抵御新蚜虫疠霉的侵染(Lukasiket al，2013) 。 因此X-type 对真菌的抗性到底缘于增强了Spiroplasma的相关功能，还是它自身的功能，仍然需要进一步研究。

2.5 对蚜虫体色的相关调控

自然界中，体色在捕食者与被捕食者之间是一种重要的信息交流信号。 豌豆蚜一般分为绿色型和红色型两类，根据以往研究，瓢虫倾向于取食红色型豌豆蚜(Loseyet al，1997)，寄生蜂则倾向于寄生绿色型(Libbrechtet al，2007)。

有研究发现，蚜虫通过在漫长的进化历史中将部分真菌基因整合到自身基因组中，从而能够自我合成类胡萝卜色素，红色型个体中含有30 000 碱基区域负责此类色素的合成，但是在绿色型个体内却没有发现这一区域(Moranet al，2010)，这似乎说明蚜虫的体色由蚜虫基因决定。 然而，Tsuchidaet al(2010)发现次级内共生菌Rickettsiella能够改变豌豆蚜的体色，感染Rickettsiella能够刺激豌豆蚜产生蓝绿色的多环醌，从而将红色型个体转变成绿色，并且绿色程度与Rickettsiella密度呈正相关(Tsuchidaet al，2014)。

在豌豆蚜中H. defensa常伴随Rickettsiella的感染，两种次级内共生菌在豌豆蚜体内生态位类似，H. defensa能够加强Rickettsiella对豌豆蚜色型的影响(Tsuchidaet al，2014)。 研究发现采采蝇中内共生菌Wigglesworthia以及佛罗里达弓背蚁(Camponotus floridanus)的内共生菌Blochmannia能够抑制或修正寄主免疫系统的表达(Wanget al，2009b；Ratzkaet al，2013)，因此是否说明由于H. defensa对蚜虫免疫系统的压制间接促进Rickettsiella感染成功率的提高，进而造成色型的加深，还有待以后更深入的研究。

2.6 对蚜虫寄主利用的影响

不同的植物能产生不同的次生代谢物，对于广食性或者多食性的物种来说，如何降解不同植物上的有毒次生代谢物是利用多类寄主植物的前提。 Tsuchidaet al(2004)通过对日本豌豆蚜的调查和微针注射转移实验发现，相比于野豌豆(Vicia sativa)，R. insecticola能够增加豌豆蚜在白车轴草(Trifolium repens)上的表现。 然而，以美国加利福尼亚地区的豌豆蚜为对象，基于抗生素清除实验，Leonardo(2004)发现R.insecticola并不影响白车轴草上豌豆蚜的表现。 这两项研究得出了冲突性的结果，暗示R.insecticola对蚜虫寄主利用的影响具有复杂性(Ferrariet al，2007)。 此外，考虑到生活在白车轴草上的豌豆蚜更易被新蚜虫疠霉寄生(Tsuchidaet al，2004)，R. insecticola对豌豆蚜在白车轴草上表现的提高究竟是由于其帮助蚜虫抵御真菌的侵袭，还是其能够直接影响豌豆蚜对寄主植物的利用，依然需要更多的验证(Oliveret al，2010)。

3 蚜虫次级内共生菌基因组研究进展

相较于自由生活的细菌，内共生菌的胞内共生环境和垂直传递的特性导致其受到的瓶颈效应更强，漂变和突变固定速率更快，因而造成了内共生菌快速的进化和基因组不断精简的现象。 Degnanet al(2009)测得H. defensa基因组由2 110 331 bp 的环状染色体和59 034 bp 的质粒组成，GC 含量分别为40.1%和45.3%，富含转座子。 根据基因集，H. defensa能合成2 类必需氨基酸和7 类非必需氨基酸，表明H. defensa与寄主之间存在着长期的共生关系(Moranet al，2005a)。 与蚜虫寄主类似，H. defensa所需的部分营养物质也要从蚜虫初级内共生菌Buchnera获得(Degnanet al，2009)。 与专性共生菌Buchnera不同，H. defensa能够自主合成细胞壁等组织，并具有T3SS 分泌系统，这可能是H. defensa能够入侵感染寄主的重要渠道(Degnanet al，2009)。

不同株型的内共生菌的基因组也存在巨大差别，例如柏大蚜中次级内共生菌S. symbiotica基因组的GC 含量约占52.1%，而在雪松长足大蚜中约为29.2%，柳瘤大蚜中则低至20.9%(Manzano-Marinet al，2016)。 碗豆蚜中S. symbiotica编码基因占87.9%，相比之下柏大蚜和雪松长足大蚜中则大幅下降为53.4%和39% (Manzano-Marinet al，2016)。 这可能是由于长足大蚜属物种与S. symbiotica在演化过程中形成了更加专性的营养共生关系，导致其基因组更加精简。

近期也有研究发现豌豆蚜体内的功能基因ldcA和rlpA来源于次级内共生菌Wolbachia，并且在含菌胞内高表达(Nikohet al，2009)，系统发生关系也说明蚜虫通过水平转移从次级内共生菌中获得相关功能基因用于自身发育。 与初级内共生菌Buchnera的基因组相对稳定不同，次级内共生菌的基因组往往具有更大变异(Oliveret al，2010)。 伴随着越来越多次级内共生菌基因组的获得，我们将在重要功能基因的注释和相关代谢途径的解析方面取得更大进展。

4 结语和展望

本文总结了蚜虫体内次级内共生菌的相关研究进展，从次级内共生菌对蚜虫生态影响、基因组进化角度简述了次级内共生菌相关功能以及基因组的研究进展。 虽然次级内共生菌在蚜虫体内含量相对较少且分布规律不明显，但它们对蚜虫的体色、生殖、寄生蜂抗性等有着重要影响。 研究发现自然界中的蚜虫常存在两种或者两种以上次级内共生菌共感染的现象(Oliveret al，2006；Cockburnet al，2013)。 此外，研究发现蚜虫体内与革兰氏阴性细菌有关的免疫基因，例如免疫缺陷(IMD)信号途径、抗菌肽、肽聚糖受体蛋白等均存在明显缺失(Gerardoet al，2010；Richardset al，2010；Bennettet al，2015)，同时次级内共生菌的基因组也往往有明显的精简(Degnanet al，2009；Manzano-Marinet al，2016)，表明在长期的共生过程中无论是蚜虫寄主还是内共生菌都做出了“让步”。 次级内共生菌在蚜虫体内特定的胞内环境中必然面临着资源竞争和限制，那么不同次级内共生菌之间的关系是拮抗还是协作，将来仍需要更多的研究。

从宏进化角度看，内共生菌或许能促进蚜虫寄主利用和种群分化，增加生物的多样性，而在特定的时间尺度内，内共生菌与蚜虫寄主之间更多朝着专性共生关系演化(Bennettet al，2015)。 伴随着越来越多次级内共生菌基因组的获得，以及对更多基因的注释及相关功能研究的深入，有助于进一步了解内共生菌、宿主、天敌乃至寄主植物之间的关系。