昆蟲(chóng)共生細(xì)菌

1、昆蟲(chóng)共生細(xì)菌Wolbachia 的研究與應(yīng)用,古 德 祥,沃爾巴克氏(Wolbachia)是一類廣泛分布于節(jié)肢動(dòng)物生殖組織內(nèi)的共生細(xì)菌。自然界中約16%的昆蟲(chóng)物種受其感染(Werren，1997)。這類細(xì)菌能引發(fā)宿主多種生殖異常行為，如甲殼動(dòng)物中雄性基因型個(gè)體的雌性化(feminization)。胡蜂類昆蟲(chóng)孤雌生殖(parthenogenesis)，而常見(jiàn)的一種是胞質(zhì)不相容性(Cytoplasmic Incompatibility,C

2、I)由于Wolbachia在生物防治和遺傳工程領(lǐng)域的潛在用途，近處來(lái)迅速成為國(guó)際生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。,Wolbachia的研究歷史1924年Hertig和Wolbach在尖音庫(kù)蚊Culex pipiens的生殖組織內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌，并將此命名為Wolbachia pipientis1950年，Ghelelovitch和Laven發(fā)現(xiàn)尖音庫(kù)蚊種內(nèi)交配是不親和的，因?yàn)樗鼈兒苌佼a(chǎn)生或不產(chǎn)生后代。隨后，Laven證明這種不親和因素具有細(xì)

3、胞質(zhì)遺傳特性(雌性遺傳)，繼而把這種現(xiàn)象命名為細(xì)胞質(zhì)不親和(Cytoplasmic Incompatibility,CI),1970年初，當(dāng)Yen 和Barr (1971)通過(guò)抗生素處理消除Wolbachia后，發(fā)現(xiàn)感染菌株的雄性與感染同一菌株用抗生素處理過(guò)的雌性是不親和的，但反交是親和的(單向不親和)，這才證實(shí)CI是跟細(xì)菌存在有關(guān)。隨后的25年間，在許多昆蟲(chóng)內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了CI現(xiàn)象，包括赤擬谷盜、苜蓿葉象甲、寄生蜂、飛虱、 地中海粉螟、伊蚊

4、和果蠅。最典型的CI現(xiàn)象是株系間雜交后代數(shù)目會(huì)減少，并且在隨后的交配中會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)遺傳。大量的事例已從微觀上證實(shí)了細(xì)菌存在于昆蟲(chóng)卵巢或睪丸內(nèi)，并可通過(guò)抗生素或高溫（﹥30℃可使該菌失活）處理將其除去。,1987年Legrand和他的同事們?cè)诘茸隳縿?dòng)物的生殖組織中發(fā)現(xiàn)了誘導(dǎo)雌性化（feminization）的細(xì)胞質(zhì)遺傳因素。1990年Stouthamer等發(fā)現(xiàn)赤眼蜂某株系的孤雌生殖能夠通過(guò)抗生素處理消除，即抗生素處理后的株系能恢復(fù)雄性生

5、殖。現(xiàn)今用ftsZ（細(xì)胞分裂基因）、16S rDNA、Wsp （外膜蛋白基因）設(shè)計(jì)的特異性引物進(jìn)行PCR，已證明細(xì)胞質(zhì)不親和細(xì)菌、誘導(dǎo)孤雌生殖（ Parthenogensis Induction, PI）細(xì)菌和等足目動(dòng)物雌性化細(xì)菌共同組成了一類家族----Wolbachia,Wolbachia的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義：首先，利用Wolbachia在寄主上的廣泛分布和影響，對(duì)于研究一些重要的進(jìn)化進(jìn)程，尤其是快速物種的形成機(jī)制具有

6、重要價(jià)值；可利用Wolbachia改變寄主早期發(fā)育和有絲分裂進(jìn)程的特點(diǎn)來(lái)研究這些基礎(chǔ)進(jìn)程；作為一種“微生物天敵”，Wolbachia可用來(lái)加強(qiáng)天敵的生殖率，或者作為一種媒介在昆蟲(chóng)種群中傳播人為改變的遺傳特征，達(dá)到生物防治的目的。如利用Wolbachia誘導(dǎo)寄生蜂進(jìn)行產(chǎn)雌孤雌生殖，這對(duì)寄生蜂工廠化生產(chǎn)過(guò)程中成本的降低和生防效能的提高，具有重要意義。,表 Wolbachia在擬寄生物種類間的盛行率,,Wolbachia誘導(dǎo)孤雌生殖（PI

7、）的種類,蚜小蜂科Aphelinidae Aphytis chilensis Aphytis chrysomphae Aphytis diaspidis Aphytis lingnanensis Encarsia formosa跳小蜂科Encyrtidae Apoanagyrus diversicornis ?金小蜂科Pteromalidae

8、Muscidifurax uniraptor赤眼蜂科 Trichogrammatidae Trichogramma brevicapillum Trichogramma chilonis Trichogramma cordubensis Trichogramma deion Trichogramma nr.deion,赤眼蜂科 Trichogrammatidae

9、Trichogramma embryophagum T. evanescens T. kaykai T. nubilale T. oleae T. platneri T. pretiosum T. nr. Pretiosum T. siberocum

10、 T. nr. sivercum,癭蜂科Cynipidae Diplolepis rosae Diplolepis spinosissimae ?隆脊癭蜂科Eucoilidae Leptopilina australis Leptopilina clavipes,Wolbachia 細(xì)胞不親和作用(CI)的種類,金小蜂科Pteromalidae

11、 Nasonia giraulti N. longicornis N. vitripennis隆脊癭蜂科 Eucoilidae Leptopilina heterotoma繭蜂科 Braconidae Asobara tabida姬蜂科 Ichneumonidae Diadegma chrysostictos

12、 Venturia canescens細(xì)蜂科 Proctotrupoidae Trichopria drosophilae,誘導(dǎo)Wolbachia細(xì)胞不親和（CI）是精子和卵間的生殖不親和。CI有兩種形式：?jiǎn)蜗虿挥H和與雙向不親和。當(dāng)感染W(wǎng)olbachia的精子與未感染的卵細(xì)胞進(jìn)行受精時(shí)，會(huì)發(fā)生單向不親和，但未感染的雄性與感染的雌性的正反交都是親和的；當(dāng)雄性和雌性含有互相不親和的不同Wolbachia

13、株系時(shí)，就會(huì)發(fā)生雙向不親和。不親和會(huì)很少產(chǎn)生或不產(chǎn)生后代。,表 不同地區(qū)灰飛虱的交配實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （甘波誼，2002）,續(xù)表 不同地區(qū)灰飛虱的交配實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （甘波誼，2002）,續(xù)表 不同地區(qū)灰飛虱的交配實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （甘波誼，2002）,誘導(dǎo)孤雌生殖（parthenogenesis inducing）,目前普遍認(rèn)為，產(chǎn)雌孤雌生殖方式主要有以下兩方面的原因：減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)(meiotic drive)和共生微生物引起的細(xì)胞質(zhì)性比偏離因

14、子(cytoplasmic sex ratio distorers)。引起寄生蜂產(chǎn)雌孤雌生殖的微生物主要有細(xì)菌、病毒、原生動(dòng)物，尤其是細(xì)菌Wolbachia，它廣泛存在于昆蟲(chóng)中。該菌使第一次有絲分裂過(guò)程中的染色體不分離，形成二倍體卵，發(fā)育成雌性子代。抗生素和高溫處理可使該菌失活，從而使未交配的雌性蜂復(fù)行產(chǎn)雄孤雌生殖；細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)方法可以準(zhǔn)確地檢測(cè)該菌的存在。,雌性化（feminization）,誘導(dǎo)雌性化的Wolbachia主要發(fā)

15、現(xiàn)于甲殼綱等足目的動(dòng)物中。最佳例子是鼠婦（Armadillidium vulgare）。它的雌性化性別決定，受雌性化寄生性別因子（feminizing parasitic sex factors，PSF）控制，其中有一個(gè)PSF為Wolbachia細(xì)菌（簡(jiǎn)稱為F）；另外其它所有因子（簡(jiǎn)稱f），是隨機(jī)整合進(jìn)入基因組的F- Wolbachia的DNA。鼠婦大多數(shù)的野生種群都帶的PSF，所有的個(gè)體從原則上都是遺傳雄性（zz），只有當(dāng)PSF存在并

16、制服（override）Z染色體攜帶的雄性決定子時(shí)，才產(chǎn)生雌性子代（因而新雌性子代一般為zz+F或zz+f）。,Wolbachiar 的多樣性與系統(tǒng)發(fā)育,1988年Stackebrand等對(duì)來(lái)自尖音庫(kù)蚊組織的Wolbachia pipientis的序列分析后認(rèn)為， W. pipientis屬于蛋白細(xì)菌的α-亞門（圖）。這個(gè)亞門包括大多數(shù)的紫色非硫光合菌和許多真核生物細(xì)胞內(nèi)的非光合內(nèi)共生體。 W. pipientis最近的親屬是Anapl

17、asma marginale、Ehrlichia risticiit 和立克次氏體，其中Anaplasma marginale是它的姐妹群。序列分析的結(jié)果也表明， Wolbachia屬是多元的。其中 Wolbachia persica是屬于γ-亞門。,對(duì)來(lái)自33個(gè)不同Wolbachia株系的ftsZ研究表明，株系間存在很大的差異,株系分為A組群和B組群。同義代替率的研究表明，A群和B 群在5800～6700萬(wàn)年前已互相分離，兩組群間很少

18、發(fā)生或者不發(fā)生基因重組。16SrDNA的差異為2%。Wolbachia同時(shí)存在著水平傳播（horizontal transmission）和垂直傳播（vertical transmission）。水平傳播已在B群上作了檢測(cè)，認(rèn)為這可能是寄生物和寄主之間交換的一種機(jī)制。,Wolbachia的時(shí)空動(dòng)態(tài),1994年秋，日本學(xué)者S. Hoshizaki 等以日本本州為中心收集了灰飛虱的9個(gè)自然種群，南起小田原（Odawara），北至古川（Fu

19、rukawa）。從下表可看出：最東北的種群（古川）不感染W(wǎng)olbachia；相反，位于最西南面的5個(gè)種群完全感染，中部的種群部分感染。,表 灰飛虱種群的收集點(diǎn),表 灰飛虱9個(gè)自然種群盛行Wolbachia的感染,根據(jù)1984年Noda對(duì)相同采集地種群調(diào)查，當(dāng)時(shí)只有小田原(最西南)完全感染W(wǎng)olbachia,而到1994年Hoshizaki的調(diào)查，除小田原種群外，完全感染的種群增加了4個(gè)(即浦河、鴻巢、高崎、內(nèi)田原種群），而矢板、

20、郡山、仙臺(tái)種群的感染率分別為93%、33%、8%，只有古川種群不感染。說(shuō)明Wolbachia的感染已從西南擴(kuò)展到東北，郡山、仙臺(tái)種群可能處于最初感染狀態(tài)。 Wolbachia擴(kuò)散的方向跟日本島上飛虱遷飛方向一致。在加利福尼亞某果蠅Drosophila simulans也發(fā)現(xiàn)Wolbachia的動(dòng)態(tài)進(jìn)程，3年內(nèi)被感染的速率，平均每年以100km的速度進(jìn)展。,小結(jié) 由于Wolbachia存在著CI、PI和雌性化的特性，因而它很

21、有希望被用于許多蟲(chóng)媒傳播的重大人類疾病的基因工程防治和生物防治。 Wolbachia導(dǎo)致CI的這種種間隔離機(jī)制，不僅對(duì)共生菌有重要意義，而且也是重要的物種形成機(jī)制。 對(duì)傳毒介體的昆蟲(chóng)體內(nèi)共生菌進(jìn)行抗體基因的轉(zhuǎn)化，再放回到昆蟲(chóng)體內(nèi)，利用CI機(jī)制，使工程昆蟲(chóng)的群體在自然界擴(kuò)大，抗體基因得以表達(dá)，并逐步減弱介體昆蟲(chóng)的傳毒能力，最終達(dá)到阻斷對(duì)病毒（或病菌）的傳播。,利用Wolbachia的IP機(jī)制，可將Wolbachia移

22、植到對(duì)生產(chǎn)有極大意義的昆蟲(chóng)天敵體內(nèi)，使其大量繁殖，在生產(chǎn)上真正起到控制害蟲(chóng)的主要作用，從而達(dá)到綜合防治的實(shí)際運(yùn)用。雌性化的存在，則為性別決定上的遺傳競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)造了潛在性的條件，這將導(dǎo)致在性別決定系統(tǒng)上的快速進(jìn)化。 以上都是對(duì)Wolbachia應(yīng)用的展望，具體運(yùn)用的落實(shí)，還需作大量的研究工作。,中國(guó)被毛孢與蝠蛾關(guān)系（構(gòu)想圖）,,,,,高齡幼蟲(chóng),成蟲(chóng),卵,蛹,低齡幼蟲(chóng),蝠蛾,出子座,孢子形成,孢子,菌絲體,進(jìn)入蟲(chóng)體,有機(jī)環(huán)境,中國(guó)被毛孢,無(wú)

23、性階段,有性,參考文獻(xiàn),施婉君 程家安 祝增榮 蔣明星 婁永根.昆蟲(chóng)共生菌Wolbachia的研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào),2002,22(3):409-419甘波誼 周偉國(guó) 馮麗冰 沈大梭 李昌本. 沃爾巴克氏體在中國(guó)三種稻飛虱中的感染.昆蟲(chóng)學(xué)報(bào),2002,45(1):14-17龔鵬 沈佐銳 李志紅. Wolbachia屬共生細(xì)菌及其對(duì)節(jié)肢動(dòng)物生殖活動(dòng)的調(diào)控作用.昆蟲(chóng)學(xué)報(bào),2002,45(2):241-252Hertig M. The r

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