昆虫共生微生物及其功能研究进展

昆虫体内共生微生物能够占到昆虫生物量的1%~10%,主要包括细菌、真菌、古菌和病毒。昆虫与共生微生物共进化形成共生体,共生微生物在昆虫生物学性状、多样性形成、生态适应性与抗逆性等多方面发挥着重要的作用。昆虫中的农作物害虫严重影响农业生产。本文对2000年以来农业害虫共生微生物的多样性、研究方法和功能机制、共生微生物之间的互作以及在害虫防控中的应用等方面的研究进展进行综述和展望。随着分子微生态学、宏基因组测序等先进研究方法的不断开发应用,对农业昆虫害虫共生微生物研究的广度和深度都有了突破。发现共生微生物主要通过以下方式影响宿主昆虫：(1)合成营养物质或产生消化酶促进宿主生长发育、拓展宿主生态位;(2)产生保护性代谢物直接保护宿主抵御胁迫,或通过调控寄主植物的防御反应间接地保护宿主;(3)产生活性物质调控宿主的生殖、交配、聚集和运动等行为。昆虫共生微生物的种类和数量在一定时空范围内维持动态变化并对宿主表型产生重要影响,是宿主、环境、共生微生物互作因素之间收益权衡的结果。因此建议进一步开展以下研究：影响共生体形成和维持的分子机制;在更多时空维度上研究共生微生物、宿主、寄主、天敌和环境之间的复杂相互作用;通过定向调控共生体设计绿色高效的害虫防治策略。     

共生理论视角下创新农业生态经济研究范式

共生理论认为异质共生生物在其生存过程中会表现出相互依存的关系。试图将这一论点移植到农业生态经济研究中,用以处理农业生产中生态效益与经济效益之间矛盾的问题。为此,把农业生态经济视为由生态单元与经济单元组成的异质共生体,分析了该共生体的结构与共生模式,并采用Logistic方程与数值模拟方法,探讨农业生态经济共生体的共生机制,揭示共生单元间的演化规律与成长特征。研究表明:共生模式在农业实践上创新应用的主要目标是将共生体从寄生共生模式向互惠共生模式转型,并提出正向转型的激励策略。共生单元的选择必须具有兼容性,共生单元间有明确的共生界面,促使物质、能量和信息的交流,以增加共生体内自由能。共生关系正向发展要遵循共生演进规律,偏利共生模式是演进到互惠共生模式的必经过程。培育互惠共生适存的共生环境对促进共生体演进至关重要。这些研究成果为农业生态经济研究提供一个新范式,并开创一条研究新思路与方法。     

真菌与植物共生机制研究进展

真菌与植物共生是一种非常普遍、复杂和重要的生物学现象。真菌与植物共生部位、共生类型和共生结构的多样性,以及参入共生的真菌和植物多样性奠定真菌与植物共生的生物学基础。真菌与植物首先通过分子"对话"的生化机制相互识别构建共生体,进而由真菌和植物双方生理机制调控共生体发育及其生理功能,以构建稳定有效的共生体。真菌与植物的空间、营养和功能生态位很多是相近的,双方均面临相同的生态选择压力,需要共同抵抗不良生境,以适应更多环境。因此,真菌和植物通过两者共生的生态学机制增强植物抗逆性,减轻有害生物危害,提高其竞争力和生境的适应能力。真菌和植物长期的协同演化过程中,种群间的基因交流及其差异导致不同的基因组合,奠定了共生体多样化的基础与资源。此遗传学机制形成的多种遗传组合的共生体不仅使真菌和植物在各环境压力下共存,还可以不断进化发展。真菌和植物共生研究方面已形成较为完善的体系,加强真菌与植物共生理论的研究,特别是该类共生体遗传背景、基因与环境互作效应及其机制的阐明,将有助于诠释真菌与植物共生的生物学机制。     

互惠共生微生物多样性研究概况

所谓互惠共生微生物(mutualistic symbiotic microbes,MSM)是指能定殖其他生物构建互惠共生体系的微生物,主要包括互惠共生细菌、互惠共生放线菌和互惠共生真菌等。MSM种类繁多、分布广泛、物种多样性丰富,涉及原核生物界和真菌界等。MSM定殖人体、动物、植物、藻类或其他真菌,可构建各自相应的互惠共生体系,进而形成范围更加巨大的共生网络,发挥不可替代的生理生态功能。本文在介绍MSM概念的基础上,重点总结了MSM多样性研究进展,指出了目前研究中尚存在的问题,探讨了今后应该开展的工作,MSM多样性研究成果可望为研发MSM应用技术提供依据和材料。     

纤毛类原生动物中宿主—共生体系统的研究

目前已经在100多种纤毛虫中观察到细菌、藻类和其他微生物等共生体。对纤毛虫中宿主－共生体系统的研究表明,双小核草履虫中卡巴粒的遗传为细胞质遗传理论提供了例证;含细菌共生体的许多厌氧纤毛虫无线粒体,共生体对宿主代谢有重要作用;尾草履虫－钝状全孢螺菌共生作用中,共生菌感染形式的39kDa、15kDa周质蛋白可分别与IF－3－1、IF－3－2两种单抗反应,其共生体早期感染过程中两种抗原的量发生显著变化,并且共生体生殖形式选择性地合成63kDa蛋白质,该蛋白质可能是与共生作有联系的关键分子;绿草履虫－小球藻共生系统中,共生藻中存在葡糖胺硬性壁是其与草履虫发生共生关系的基本条件,其中,共生藻参与宿主代谢,与宿主形成相互受益的专一性关系,并且藻类共生体的作用可能影响了宿主草履虫基因组有关结构,改变了其基因表达。作者推测,探索共生体对宿主基因结构及其表达产物的影响可能是对纤毛虫中共生作用研究的主要趋势,这对于深入了解真核细胞中宿主－共生体双方的相互作用、物质交流在分子水平上的调控机理、细胞结构与功能的关系等细胞生命活动规律是有意义的。     

昆虫共生微生物在病虫害和疾病控制上的应用前景

昆虫与微生物之间的互利共生关系是自然界中一种常见的互作形式。昆虫的种类丰富多样并且在自然界中分布广泛,在一定程度上得益于共生微生物的帮助。随着生物技术的不断发展,越来越多的共生微生物和互利共生模式得以发现并深入研究。微生物不仅能够为昆虫的生长发育提供营养,还能合成很多生物活性物质、调节宿主的免疫、对抗捕食者和抵御病原微生物感染,成为宿主昆虫健康和适应的守护者。鉴于共生微生物与昆虫生理生态的密切联系,以及昆虫对人类经济与健康的重要影响,利用共生微生物对昆虫及虫媒病进行生物控制已经成为一个热点研究方向,并展现了良好的应用前景。本文对昆虫共生微生物的多样性、生物学功能、与宿主相互作用机制及其在病虫害和虫媒病防治中的研究进展进行综述和展望。     

纤毛类原生动物中宿主－共生体系统的研究

目前已经在100多种纤毛虫中观察到细菌、藻类和其他微生物等共生体。对纤毛虫中宿主－共生体系统的研究表明,双小核草履虫中卡巴粒的遗传为细胞质遗传理论提供了例证;含细菌共生体的许多厌氧纤毛虫无线粒体,共生体对宿主代谢有重要作用;尾草履虫－钝状全孢螺菌共生作用中,共生菌感染形式的39kDa、15kDa周质蛋白可分别与IF-3-1、IF-3-2两种单抗反应,其共生体早期感染过程中两种抗原的量发生显著变化,并且共生体生殖形式选择性地合成63kDa蛋白质,该蛋白质可能是与共生作用有联系的关键分子;绿草履虫－小球藻共生系统中,共生藻中存在葡糖胺硬性壁是其与草履虫发生共生关系的基本条件,其中,共生藻参与宿主代谢,与宿主形成相互受益的专一性关系,并且藻类共生体的作用可能影响了宿主草履虫基因组有关结构,改变了其基因表达。作者推测,探索共生体对宿主基因结构及其表达产物的影响可能是对纤毛虫中共生作用研究的主要趋势,这对于深入了解真核细胞中宿主－共生体双方的相互作用、物质交流在分子水平上的调控机理、细胞结构与功能的关系等细胞生命活动规律是有意义的。     

昆虫共生菌的次级代谢产物研究进展

微生物与昆虫的共生是一种普遍现象,昆虫种类繁多,与昆虫共生的微生物也多种多样。昆虫共生菌是活性次生代谢产物的重要来源。本文对自2008年以来已报道的177个昆虫共生菌的次级代谢产物进行了统计和分析,结果表明:61.6%的化合物为新天然产物(生物碱类新化合物最多),其中,约75%的新化合物来源于昆虫共生真菌,25%来源于细菌;醌酮类化合物是昆虫共生菌源天然产物的主要结构类型,占23.2%;47.5%的化合物具有显著的抗肿瘤、抗菌、除草和抗氧化等生物活性,且化合物中的主要活性类型是抗菌和抗肿瘤活性,活性范围覆盖面最广的结构类型是生物碱类。以上结果表明昆虫共生菌的次级代谢产物是先导性化合物的重要来源且具有丰富的生物活性类型。本文以天然产物的结构分类为切入点,结合其研究菌株来源、生物活性等进行综述,旨在为充分挖掘昆虫共生菌次级代谢产物提供重要参考。     

实蝇肠杆菌科共生菌的研究进展

实蝇与体内微生物的共生关系是目前较受关注的研究课题。其中,肠杆菌科细菌是这些内共生微生物中的重要一类,广泛存在于实蝇肠道和生殖系统中。研究证明,共生肠杆菌科细菌在参与实蝇的碳氮循环、营养代谢、生殖免疫及生物防治等方面都发挥着极大的作用。近年来,人们利用分子生物学技术已鉴定出部分实蝇内共生肠杆菌科细菌的类群,发现许多优势的益生肠杆菌种和代谢产物,它们能增强实蝇的健康,提高昆虫不育技术的应用高效性。本文对实蝇共生肠杆菌科细菌的种类、分布和作用,以及它们在不育昆虫技术中的应用进展作一综述,这不仅有助于人们更深入地了解宿主与共生菌群落间的互作关系,而且对人类开发新型实蝇防治饵剂以及将此类共生益生菌应用于实蝇不育技术有重要意义。     

从细胞内共生到多尺度共生：回顾与展望

基于共生概念的历史变化,目前人们普遍接受了广义共生概念。即共生是包含互利共生（mutualism）、偏利共生（commensalism）和拮抗/寄生（antagonism/parasitism）的共生连续体。本文简述了近20年间,全球9次国际共生学术大会取得的重要成果,对细胞内共生、时间、空间以及多种互作尺度共生关系的研究利用进展进行了评述。同时展望了一些活跃共生领域的研究概况,如共生失调 （dysbiosis）、植物-微生物-昆虫三角共生关系（plant-microbe-insect triangle）、细菌-真菌互作（bacterial- fungal interaction,BFI）、菌根菌-真菌内生细菌-植物多方共生联盟（multipartite symbiosis consortium）以及与共生相关微生物组的集合群落（metacommunity）研究及应用等。共生（symbiosis）正成为当代生物学的核心原则,正以一种与更宏大系统方法相一致的概念,从根本上改变了传统上的一些生物学概念,如孤立性的个体（individuality）概念。基因组测序和高通量RNA技术分析揭示,动、植物与共生微生物的重要互作,打破了迄今为止生物个体的特征边界,挑战了这些学科的定义;共生不仅是一对一的互利共生关系,共生实际是多种共生模式的连续共生体。此外,植物-昆虫-微生物互作的三角关系;菌根-真菌-真菌内生细菌-植物的多方联盟等新关系的发现,更把生命科学推向了快速发展的方向。这些科学进展不仅对生物科学的遗传学、免疫学、进化、发育、解剖学和生理学的研究至关重要,拓宽了新的视野,而且对农业中生物制剂研发,人类微生物组的管理及调控,以及对发酵食品及工业微生物生产的设计和管理将产生积极影响。     

不同昆虫寄主对昆虫病原线虫共生菌的敏感性比较

用菜青虫、棉铃虫、甜菜夜蛾、玉米螟、粘虫、黄粉虫等 6种昆虫对 1 0株昆虫病原线虫共生菌进行了敏感性测定。结果表明 :供试菌株对 6种昆虫都有胃毒活性 ,不同菌株对同一种昆虫的毒力差别较大 ,同一菌株对不同昆虫差别也很大。 1 0株菌在 1 2 0h对菜青虫的校正死亡率和体重抑制率均最高 ,显然是最敏感的寄主。在 1 0株共生菌中 ,XenorhabdusnematophilaHB3 1 0 5 9菌株的胃毒活性最高。     

Symbiont-mediated RNA interference in insects

RNA interference (RNAi) methods for insects are often limited by problems with double-stranded (ds) RNA delivery, which restricts reverse genetics studies and the development of RNAi-based biocides. We therefore delegated to insect symbiotic bacteria the task of: (i) constitutive dsRNA synthesis and (ii) trauma-free delivery. RNaseIII-deficient, dsRNA-expressing bacterial strains were created from the symbionts of two very diverse pest species: a long-lived blood-sucking bug, Rhodnius prolixus, and a short-lived globally invasive polyphagous agricultural pest, western flower thrips (Frankliniella occidentalis). When ingested, the manipulated bacteria colonized the insects, successfully competed with the wild-type microflora, and sustainably mediated systemic knockdown phenotypes that were horizontally transmissible. This represents a significant advance in the ability to deliver RNAi, potentially to a large range of non-model insects.     

Insect endosymbionts: manipulators of insect herbivore trophic interactions?

Throughout their evolutionary history, insects have formed multiple relationships with bacteria. Although many of these bacteria are pathogenic, with deleterious effects on the fitness of infected insects, there are also numerous examples of symbiotic bacteria that are harmless or even beneficial to their insect host. Symbiotic bacteria that form obligate or facultative associations with insects and that are located intracellularly in the host insect are known as endosymbionts. Endosymbiosis can be a strong driving force for evolution when the acquisition and maintenance of a microorganism by the insect host results in the formation of novel structures or changes in physiology and metabolism. The complex evolutionary dynamics of vertically transmitted symbiotic bacteria have led to distinctive symbiont genome characteristics that have profound effects on the phenotype of the host insect. Symbiotic bacteria are key players in insect–plant interactions influencing many aspects of insect ecology and playing a key role in shaping the diversification of many insect groups. In this review, we discuss the role of endosymbionts in manipulating insect herbivore trophic interactions focussing on their impact on plant utilisation patterns and parasitoid biology.     

灰飞虱核心共生菌的鉴定

媒介昆虫的核心共生菌能被用作基因工程菌发挥抗病毒功能。灰飞虱是一种重要的农业害虫,其传播的水稻条纹病毒造成水稻的大面积减产甚至绝收。【目的】本研究对不同稻区及温室饲养的灰飞虱进行菌群组成分析并初步鉴定灰飞虱的核心共生菌。【方法】通过16S rDNA介导的二代测序技术,分析了2018–2020年间采集自云南昆明、河南开封、河南范县稻区以及温室的灰飞虱的菌群组成。【结果】所有37个灰飞虱测序样本均携带细胞内和细胞外共生菌,细胞内生菌沃尔巴克氏体属(Wolbachia)为灰飞虱最稳定的核心共生菌,在所有样本中存在,平均相对丰度51.96%,其代表性序列OTU45占据该属85条OTU序列总数的96.55%。除Wolbachia之外,其他常见核心菌均为胞外菌,其中4种平均相对丰度最高的常见核心菌分别为不动杆菌属、泛菌属、肠杆菌属和假单胞菌属,在10种常见核心菌中平均占比0.25%–2.97%。不同稻区的灰飞虱各有优势菌,昆明为立克次体属,范县为杀雄菌属和Cardinium,开封为醋杆菌属、泛菌属和Sulcia。这些田间的优势菌包括多种细胞内生菌。稻田灰飞虱在温室进行24 h蔗糖饲喂后,Wolba...     

Multiple guests in a single host: interactions across symbiotic and phytopathogenic bacteria in phloem‐feeding vectors – a review

Some pathogenic phloem‐limited bacteria are a major threat for worldwide agriculture due to the heavy economic losses caused to many high‐value crops. These disease agents – phytoplasmas, spiroplasmas, liberibacters, and Arsenophonus‐like bacteria – are transmitted from plant to plant by phloem‐feeding Hemiptera vectors. The associations established among pathogens and vectors result in a complex network of interactions involving also the whole microbial community harboured by the insect host. Interactions among bacteria may be beneficial, competitive, or detrimental for the involved microorganisms, and can dramatically affect the insect vector competence and consequently the spread of diseases. Interference is observed among pathogen strains competing to invade the same vector specimen, causing selective acquisition or transmission. Insect bacterial endosymbionts are another pivotal element of interactions between vectors and phytopathogens, because of their central role in insect life cycles. Some symbionts, either obligate or facultative, were shown to have antagonistic effects on the colonization by plant pathogens, by producing antimicrobial substances, by stimulating the production of antimicrobial substances by insects, or by competing for host infection. In other cases, the mutual exclusion between symbiont and pathogen suggests a possible detrimental influence on phytopathogens displayed by symbiotic bacteria; conversely, examples of microbes enhancing pathogen load are available as well. Whether and how bacterial exchanges occurring in vectors affect the relationship between insects, plants, and phytopathogens is still unresolved, leaving room for many open questions concerning the significance of particular traits of these multitrophic interactions. Such complex interplays may have a serious impact on pathogen spread and control, potentially driving new strategies for the containment of important diseases.     

昆虫肠道微生物分离培养策略及研究进展

昆虫肠道作为一种特殊生境,生存着多种多样的共生微生物,并且肠道内的很多微生物与自然界其他生境的微生物种类显著不同。基于对纯培养微生物的研究,科学家们发现,肠道微生物与昆虫营养、生长发育及免疫等功能密切相关。因此,分离培养是发现微生物新种类、新基因和新功能的基础。然而,自然界可培养的微生物大约只占总数的1%。为了能够对更多的微生物进行分离和培养,近二十年来,微生物学家们发展了诸多新的培养技术和策略并利用它们从昆虫肠道分离出了很多新的难培养微生物。这些新的微生物种类极大地丰富了我们对肠道共生微生物生理作用与功能的认识。以此为基础,本文综述了昆虫肠道微生物分离培养的策略及研究进展,并对未来该领域的发展进行了展望。     

植菌昆虫与其共生真菌协同进化分子机制

昆虫菌业（fungiculture）是一种类似于人类种植业的昆虫种植体系,包括种植、耕作、收获和营养依赖4个过程,可分为高级的社会性昆虫如切叶蚂蚁、白蚁等和低级的非社会性昆虫如食菌小蠹虫、卷叶象甲、蜥蜴甲虫、树蜂等,它们均能种植并取食真菌。近年来随着组学及微生物组技术的发展,植菌昆虫与其共生真菌协同进化的分子机制研究方面取得了重要进展。系统发育分析阐明了植菌昆虫的起源与进化历程,并显示出与共生真菌系统发育的一致性;共生真菌细胞核数量也从双核增加到最多17个核,而染色体倍型也从单倍体增加为二倍体甚至多倍体;组学分析则揭示了植菌昆虫与其共生真菌在精氨酸、碳水化合物、木质素及几丁质合成或降解等方面显示出了高度的协同进化。本文系统综述了植菌昆虫及其共生真菌的系统进化、核进化及基因组进化进展,并探讨这种协同进化机制的生物学意义。     

人体共生菌及其抗菌分子研究进展

随着耐药细菌的出现和广泛传播,开发新型抗菌药迫在眉睫。分布在人体不同部位的共生菌能够产生多种抗菌分子以抑制病原菌的定植和感染。人体共生菌的抗菌分子为研发全新结构和作用机制的药物提供了潜在的资源宝库,随着生物信息学、合成生物学、基因组学等组学技术的进一步发展,对人体共生菌抗菌分子的挖掘也会更加深入,为解决耐药问题提供了有效的途径。文中回顾了目前所发现的人体共生菌产生的抗菌分子,并介绍了几种用于挖掘人体共生菌这一天然抗菌药物的资源宝库的方法。随着现代生物工程技术的发展,人体共生菌的抗菌分子将会得到更加全面、系统的探索和应用。