蚜虫与其胞内共生细菌的相互作用

蚜虫次级内共生菌的多样性和功能曾凌达;刘倩;黄晓磊【摘要】内共生菌与其寄主之间的关系一直都是生物学研究的热点.蚜虫类昆虫的内共生菌分为初级内共生菌(Buchnera)和一些次级内共生菌.Buchnera与蚜虫寄主之间有密切的营养共生关系,对蚜虫寄主的生长发育至关重要.虽然次级内共生菌在蚜虫体内含量相对较少,但是随着研究的不断深人,次级内共生菌无论对蚜虫寄主的生态行为(抵御寄生蜂、耐高温特性、体色形成等)还是物种形成和进化的影响都不容忽视.此外,次级内共生菌基因组序列的测定,也促进了功能基因学的发展.在系统梳理已发表文献的基础上,本文主要综述了蚜虫次级内共生菌的基本特征、多样性、及其对蚜虫寄主的生态影响,进而对未来值得关注的问题进行了展望.【期刊名称】《武夷科学》【年(卷),期】2019(035)001【总页数】8页(P4-11)【关键词】内共生;蚜虫;初级共生菌;次级共生菌;生态功能【作者】曾凌达;刘倩;黄晓磊【作者单位】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;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;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【正文语种】中文【中图分类】Q969.36+7.2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)(Munson et 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(Munson et al，1991；Douglas，1998；Sandström et al，1999；黄晓磊等，2011)。

昆虫体内共生菌在其适应寄主植物过程中的作用1徐红星郑许松吕仲贤*（浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所杭州310021）摘要：植食性昆虫的进化过程中，昆虫种群为适应寄主及环境变化的需要，常常分化为不同的寄主专化型（生物型）。

在昆虫适应寄主植物的过程中，其体内共生菌不仅能合成宿主所需要的氨基酸、胆固醇和其它营养物质以弥补其食物中缺乏的某些重要营养成分，还可以对宿主所吸取的植物次生物质进行解毒作用，从而提高其对寄主植物的利用能力，甚至扩大寄主植物范围。

关键词：昆虫共生菌；寄主植物；适应性植食性昆虫通常能利用有限范围的寄主植物。

多数植食性昆虫对寄主的选择具有一定的范围，它们不但对植物的种类进行选择，而且有时选择寄主植物的某一特定部位。

因此，在植食性昆虫的进化过程中，昆虫种群为适应寄主及环境变化的需要，常常分化为不同的寄主专化型（生物型）[1,2]。

对寄主植物的专化性选择是昆虫在与寄主植物长期协同进化过程中的生态特性，它不仅决定昆虫的食物和生境，而且还会影响昆虫与同一寄主植物上其它生物之间的内在关系。

在长期协同进化过程中，昆虫与其体内共生菌（endosymbiont）形成了密切的共生关系[3]。

昆虫为共生菌提供了稳定的小生境和营养，而昆虫依靠共生菌合成食物中缺乏的某些重要营养成分，以弥补其不足，杂食性昆虫的共生菌主要是调节营养平衡[4-6]；此外，共生菌不仅在昆虫对植物的适合度、寄主昆虫的竞争能力和对寄主植物的利用能力等方面具有重要作用[7-10]。

本文主要综述了共生菌在昆虫对寄主植物适应性的影响。

1 昆虫对寄主植物的适应性在大约4 000 种蚜虫中，大部分蚜虫只能利用有限的几种寄主，表现为单食性或寡食性，即使多食性蚜虫对其全部寄主植物也存在不同的选择性，形成了特定寄主植物的寄主专化型[11]。

但是在人工选择条件下，昆虫寄主专化型的形成要比自然条件下容易得多。

在选择实验中，昆虫对产卵场所或寄主植物的利用很快就会表现出明显的选择性[12]。

物种间的竞争、共存和协同进化由于与植被的演替、分布、农作物栽培、杂草危害等的密切关系，物种之间的竟争和共存一直是生态学家感兴趣的问题。

究竞是什么原因使得某些群落中众多竞争者共存这个问题至今仍没有得到很好的解决。

因此许多科学家提出了关于相互竞争植物种共存机制的种种解释。

物种之间的竟争是怎么回事呢？竞争可分为种间竞争和种内竞争。

种间竞争是不同种群之间为争夺生活空间、资源、食物等出现的竞争。

达尔文（1859 ）指出，生活要求类似的近缘种之间经常发生激烈的竞争。

他例举了一方消灭另一方的若干事实。

其中植物的他感作用就是一种植物通过向体外分泌代谢过程中的化学物质，对其他植物产生直接或间接影响的一种竞争方式。

种内竞争同种个体间利用同一资源而发生的相互妨碍作用。

当个体对资源的需要非常相似时，竞争会特别激烈。

种内竞争是生态学的一种主要影响力，是扩散和领域现象的原因，并且是通过密度制约过程进行调节的主要原因。

竞争的结果使物种的强弱序列发生变化。

种群竞争是决定生态系统结构和功能的关键生态过程之一也是生态学研究的焦点，通过种群的空间格局来研究种群的竞争与共存是探索种群竞争与共存机理的新途径。

群落物种共存机制主要可以被归结为：(1)资源分享；(2)与时间相关的微栖息地选择；(3)与空间相关的微栖息地选择。

生物种间的关系有以下几种主要形式：一、原始合作(Protocooperatio n )指两种生物共居在一起，对双方都有一定程度的利益，但彼此分开后，各自又都能够独立生活。

这是一种比较松懈的种间合作关系。

，如寄居蟹( Pagurus )和海葵(Stomphia )。

共居时，腔肠动物借助蟹类提供栖所、携带残余食物；而蟹类则依靠腔肠动物获得安全庇护，双方互利，但又并非绝对需要相互依赖，分离后各自仍能独自生活，这便是典型的原始合作关系。

有些学者也把它称为互生关系。

二、共栖( Commensalism )指两种共居，一方受益，另一方也无害或无大害。

蚜虫初级内共生菌Buchnera aphidicola研究进展*刘琳1,2黄晓磊1乔格侠1**（1 中国科学院动物进化与系统学重点实验室，北京100101；2 中国科学院大学，北京，100049）摘要动物和细菌的内共生关系一直是生物学关注的热点，相关研究不但对于了解动物宿主的生长、繁殖等有重要意义，也有助于探讨生命起源和进化等生命现象。

蚜虫类昆虫体内存在一类专性的胞内共生菌Buchnera，它对于蚜虫营养代谢和正常发育至关重要，被称为蚜虫的初级内共生菌。

由于两者间具有专性共生关系，使其成为内共生关系研究的理想模型。

本文将从Buchnera的基本特征、Buchnera与蚜虫进化关系、Buchnera在共生关系中的作用及Buchnera基因组学等方面对Buchnera研究现状进行综述，并对未来的研究热点进行展望。

关键词内共生，初级内共生菌，Buchnera，蚜虫，基因组学Research trends on the primary endosymbiont of aphids, Buchnera aphidicola*LIU Lin 1, 2, HUANG Xiao-Lei1, QIAO Ge-Xia 1**(1 Key Laboratory of Zoological Systematics and Evolution, Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, No. 1 Beichen West Road, Chaoyang District, Beijing 100101, P.R. China;2 University of Chinese Academy of Sciences, No. 19, Y uquan Road, Shijingshan District, Beijing 100049, P.R.China; *Corresponding author: QIAO Ge-Xia, email: qiaogx@)Abstract Endosymbiosis of animals with bacteria is always a hot topic in biology. Studies on endosymbiosis are important not only for understanding the growth and reproduction of animal hosts, but also for investigation of the origin and evolution of life. Aphids harbour obligatory endosymbiotic bacteria, Buchnera aphidicola, which are nutritional and developmental indispensable to aphids. Due to their obligate endosymbiotic relationship,aphids-Buchnera is a good model for investigation many significant theoretical issues in symbiosis. This paper reviews the research trends of the basic characteristic of Buchnera, evolutionary relationships between aphids--------------------------------------------------------------*资助项目：本项目得到国家杰出青年基金（No. 31025024），国家自然科学基金面上项目（No. 31272348），公益性行业（农业）科研专项（201103022）和国家基金委动物学特殊学科点（No. J1210002）的资助。

蚜虫及其共生菌与植物互作研究：从赤道热带到极地冷原蚜虫是一种重要的农林害虫，它会吸取植物的汁液，繁殖迅速，对植物造成严重的危害。

为了解决蚜虫带来的问题，科学家们研究了蚜虫及其共生菌与植物的互作关系，探究其生态、遗传、化学和分子机制。

这些研究成果不仅有助于防治蚜虫害，更为人类探索生命奥秘提供了珍贵的资源。

蚜虫是一种广泛分布于全球的昆虫，生活在各种植物上，特别是豆科与葫芦科等草本植物上，可以对宿主植物造成直接和间接的危害。

蚜虫体内存在许多共生菌，其中最为关键的是布氏链霉菌（Buchnera aphidicola）和细菌共生（secondary symbionts），这些菌群同蚜虫共同构成了一个微生物共同体系（microbe community）。

布氏链霉菌是蚜虫体内最主要的共生菌之一，它对蚜虫的生长发育、生殖、营养和抗病能力均有重要的影响。

这种菌群与蚜虫之间形成了紧密的协同共生关系，布氏链霉菌提供蚜虫必需的氨基酸、核苷酸等营养物质，同时蚜虫为其提供生存所必需的营养环境。

此外，许多研究表明，蚜虫内还存在着一些细菌共生，它们与主共生菌有着不同的互作关系，可以影响蚜虫的形态和生理特性。

这种复杂的现象一度被认为只存在于热带地区，但最近的研究表明，气候环境变化导致蚜虫和共生菌的种类、数量、组成等方面发生了明显变化。

植物是生存于地球上最为重要的生命形式，它们是土地的绿化器和稳定剂，为保持地球上的生物多样性提供了支撑。

然而，许多植株的生长发育和产量受到了蚜虫的危害，这直接影响了农业生产和生态平衡。

因此，研究蚜虫及其菌群与植物之间的互作关系，对于有效控制害虫危害、提高农业生产、降低农业生产成本和减少化学农药的使用，具有非常重要的意义。

许多科学家对这一领域进行了深入的研究，得出了许多重要的结论。

例如，在植物防御机制方面，研究表明蚜虫的口器唾液能够激活植物内部的生物合成途径，从而增加某些防御物质如生物碱、黄酮等的含量。

昆虫体内共生菌初探概要：昆虫共生菌已经成为当前昆虫学领域研究的热点之一。

随着分子生物学、基因组学、转录组学和蛋白质组学的快速发展，越来越多有关共生菌文献的发表，科研工作者可以利用各种手段不断探索共生菌的种类、功能和作用，进而扩展到与寄主昆虫的相互作用模型和分子機制，及共生菌之间的相互作用等。

昆虫在食用（饲用、食用、药用）、环境治理、工业资源、观赏、土壤改良等方面发挥着极其重要的作用。

研究表明，昆虫在实现以上功能时都有体内的微生物的参与。

昆虫体内含有各种共生微生物，这些微生物在一般存在于昆虫肠道中、特殊的器官中或者细胞内。

这些微生物几乎参与了宿主所有的生命活动，一旦昆虫体内感染共生菌，会产生新的生物学性状，这些新的性状在昆虫的适应、进化和多样性方面发挥了巨大作用。

一般来说，共生菌与昆虫生长发育繁殖息息相关，经过长时间的进化，与昆虫形成了互利共生的关系。

共生菌可为宿主提供必要的营养，使其对环境耐受影响其交配、繁殖、代谢、免疫等功能，还可以介导解毒昆虫取食，增强宿主自身防御病原微生物、寄生物的能力，保护宿主逃避天敌，避免被寄生或捕食，甚至可以赋予宿主对杀虫剂产生抗性。

共生菌与宿主的互利共生为昆虫的生存带来便利，同时昆虫共生菌在开发害虫新型生物防治、废弃物生物降解和虫媒传染病的阻断控制手段中具有重要的应用前景，还可以利用昆虫与共生菌的关系来进行病虫害防控。

近年來，昆虫与共生菌的关系受到越来越多的关注，随着高通量测序工具和分析软件的发展，使得越来越多的共生菌功能被明确，这些都在为共生菌——宿主——植物的互作研究奠定基础。

本文简要概述了昆虫共生菌的研究进展，重点围绕昆虫共生菌的多样性、生物学功能、与宿主互作机制，以及共生菌——昆虫——植物互作研究进行综述，并对未来研究提出展望。

1昆虫共生菌1.1 昆虫共生菌的起源、分布和种类内共生菌是由一个自由的有机体演变而来，其结构及功能与线粒体、叶绿体相似，与昆虫的共生关系可追溯到2～2.5亿年前，在宿主昆虫体内逐渐进化成一个类细胞器的结构，含有与宿主完全不同的核酸、蛋白质合成系统，且不受宿主免疫系统的抵御，正是因为这种长期的协同进化过程，才最终形成了稳定的、可遗传的共生系统。

蚜虫共生细菌多重PCR检测体系的建立蚜虫共生细菌是一类生活在蚜虫体内且与蚜虫共生的微生物。

这些共生细菌对蚜虫的生长发育和适应性起着重要的作用。

建立一种快速、准确检测蚜虫共生细菌的方法，对于了解共生细菌与蚜虫之间的相互作用具有重要的意义。

本实验旨在建立一种适用于多种蚜虫共生细菌的多重PCR检测方法，并通过验证该方法的可行性，为进一步研究蚜虫共生细菌提供基础工具。

本实验选择了几种常见的蚜虫共生细菌作为研究对象，包括布氏杆菌（Buchnera aphidicola）、白细菌（Serratia symbiotica）、喜碱细菌（Hamiltonella defensa）和肠杆菌（Regiella insecticola）。

收集含有蚜虫共生细菌的蚜虫样品，并提取其中的DNA。

DNA提取采用常规的酚/氯仿法或商用DNA提取试剂盒进行。

通过测定DNA的浓度和纯度，确定提取的DNA质量。

接下来，使用已经发表的共生细菌特异引物对提取的DNA进行PCR扩增。

根据不同共生细菌的特异性引物设计合适的引物。

为了提高PCR的特异性和准确性，可以使用内部引物来进行确认扩增。

每组PCR反应中加入正对照和阴性对照，以验证PCR检测的结果。

在PCR反应中，优化反应体系和条件。

优化反应体系包括引物浓度、模板DNA浓度、酶浓度和反应缓冲液的配比等。

通过调整反应条件，如退火温度和延长扩增时间，优化PCR反应的特异性和灵敏度。

完成PCR反应后，对反应产物进行分析。

可以通过琼脂糖凝胶电泳，检测扩增产物的大小和纯度。

还可以使用DNA浓度检测仪对扩增产物的浓度进行定量分析。

评估建立的多重PCR检测方法的可靠性和准确性。

可以通过检测标准样品和已知含有不同共生细菌的蚜虫样品来评估该方法的灵敏度和特异性。

可以与其他方法进行比较，如文库构建和高通量测序，以验证该方法的有效性。