昆虫与其肠道菌群互作机理的研究进展及其在害虫管理中的应用前景

石章红，侯有明

(1. 闽台作物有害生物生态防控国家重点实验室，福州 350002；2. 福建农林大学植物保护学院，福州 350002)

昆虫是目前已知种类数量最多、分布最为广泛的生物类群，在生态系统中通常扮演关键角色，而且与人类的可持续发展密切相关。昆虫的生态习性多变，不同的昆虫种类食性有所特化。例如，有的取食动植物碎屑、腐烂的尸体、木头及真菌、吸食动物血液，有的过滤取食水中动物和水草，有的为植食性，包括吸食汁液，有的捕食和寄生其它生物(彩万志等, 2009)。从营养学的角度来看，昆虫所主要依赖的这些食物很难满足其正常生长发育的均衡营养需求。当前越来越多的证据表明，昆虫与微生物之间的共生关系是昆虫多样性高和其进化成功的一个关键因素，这些微生物与宿主有着非常密切的联系并广泛参与宿主生活的多个方面(Engel and Moran, 2013; Douglas, 2015)。近十余年来，随着高通量测序技术和组学分析技术等现代研究手段的快速发展和应用，对于昆虫共生微生物的结构与功能的认知有了很大的发展。与人类相似，昆虫的肠道中通常也栖居着细菌、古菌、病毒、真菌和一些原生生物等多种微生物，总称为肠道微生物群，其中细菌是昆虫肠道中最主要的微生物类群，而且肠道中栖息的细菌群落，常被统称为肠道菌群(Lee and Brey, 2013)。本文主要概述了现阶段关于昆虫肠道菌群的组成、功能及其与宿主互作机理等方面的认识现状，并在此基础上对昆虫耐受与调控其肠道菌群稳态的机理研究及其相关的应用前景进行了展望。

1 昆虫肠道菌群的结构组成与功能

在当前的培养技术条件下，虽然自然界中绝大多数的微生物不可培养，但是随着高通量测序技术和生物信息分析手段的发展和应用，当前对于昆虫肠道菌群结构的组成已有相对清晰的了解和认识。昆虫肠道内的常见细菌主要有变形菌Proteobacteria、拟杆菌Bacteroidetes、厚壁菌Firmicutes、放线菌Actinomycetes、螺旋体Spirochetes和疣微菌Verrucomicrobia等(Colmanetal., 2012; Yunetal., 2014; Muhammadetal., 2017)。在昆虫从其周围环境取食的过程中，食物中伴随着的细菌群落随之进入昆虫肠道，其中的一些细菌种类能够在昆虫肠道中定殖，从而成为昆虫肠道菌群的重要来源(Beharetal., 2008; Blumetal., 2013; Wongetal., 2015)。越来越多的研究证明，昆虫肠道菌群对其宿主的众多重要生理过程有重要影响(Engel and Moran, 2013)。例如，红棕象甲RhynchophorusferrugineusOlivier是我国的一种毁灭性入侵害虫，其肠道菌群主要由Enterobacteriaceae、Lactobacillaceae、Entomoplasma-taceae和Streptococcaceae等4个科细菌构成，其中存在大量能够降解植物纤维素和淀粉等多糖物质的功能基因(Jiaetal., 2013; Muhammadetal., 2017)。研究发现，当该害虫的肠道菌群被彻底清除或其组成结构被改变后，其营养代谢受到显著影响，免疫防御功能也明显降低，这说明肠道菌群在该害虫的营养代谢和免疫防御等过程中扮演重要角色(Muhammadetal., 2017, 2019; Hebinezaetal., 2019)。黑腹果蝇Drosophilamelanogaster的肠道菌群结构相对比较简单，通常由5～20种细菌所组成。无论是采自于野外还是来自于实验室种群，黑腹果蝇的肠道中都定殖有Commensalibacterintestini，Acetobacterpororum，Gluconobactermorbifer，Lactobacillusplantarum和Lactobacillusbrevis这5种核心细菌，其中的两种细菌A.pororum和L.plantarum始终存在于任何生活史阶段黑腹果蝇的肠道中(Wongetal., 2011; Broderick and Lemaitre, 2012)。当肠道菌群缺失后，黑腹果蝇的化蛹时间延长、翅变小；研究证实，肠道菌群是通过调控胰岛素信号通路来影响宿主的生长发育(Shinetal., 2011)；最新的研究发现，L.plantarum在黑腹果蝇肠道中代谢产生的乳酸(lactate)可以作为A.pororum一种额外的碳素营养来源，而后者为前者的生长提供一些必需氨基酸和维生素，两者之间通过这样的代谢互作来共同影响宿主的适合度(Consuegraetal., 2020)。更为有趣的是，Wong等(2018)发现肠道菌群能够明显影响黑腹果蝇的觅食决策行为使之更倾向于取食含有有益肠道细菌的食物，从而有利于昆虫宿主与其肠道菌群共生关系的长期维持。众所周知，蜜蜂是生态系统中一种非常重要的传粉昆虫。西方蜜蜂Apismellifera工蜂的肠道中主要分布有9种细菌，其中Snodgrassellaalvi、Gilliamellaapicola、LactobacillusFirm-4、Firm-5和Bifidobacterium等5种细菌存在于成年工蜂的肠道中并构成蜜蜂肠道的核心菌群(Engeletal., 2012)。蜜蜂的肠道菌群中不仅富含一些编码降解花粉壁主要成分果胶糖的功能基因(Engeletal., 2012)，而且其代谢产生的一些短链脂肪酸等代谢物能够促进宿主的生长发育(Zhengetal., 2017)。在橘小实蝇Bactroceradorsalis的相关研究中发现，肠道细菌Citrobactersp.能够显著提高该害虫对有机磷杀虫剂敌百虫的抗药性(Chengetal., 2017)，而且肠道菌群能够通过调节宿主的营养代谢进而增强该害虫的抗寒能力(Razaetal., 2020)。丽蝇蛹集金小蜂Nasoniavitripennis肠道中的稀有细菌种类Serratiamarcescens和Pseudomonasprotegens可以通过代谢除草剂莠去净(atrazine)的方式提高该寄生蜂对该药剂的抗性水平(Wangetal., 2020)。更为有趣的是，肠道细菌可以通过影响D.melanogaster性信息素-表皮碳氢化合物的组成进而影响其配偶选择倾向(Sharonetal., 2010)，最近的研究还证实肠道菌群结构的改变能够导致D.melanogaster产生类似儿童孤僻症的社交行为障碍现象(Chenetal., 2019)。总体而言，肠道菌群不仅广泛参与昆虫的生长发育、营养代谢、抗药性的产生、免疫防御与器官稳态维持、配偶选择、逆境抗性和社会行为等众多生理过程，并且通常具有重要的影响作用。

2 昆虫维持肠道菌群稳态的重要性

动物的遗传背景、饮食、发育状态、生存环境和精神状态等众多因素都能够影响其肠道菌群的组成(Davidetal., 2014; Yunetal., 2014; Bascunetal., 2018)。简言之，动物肠道菌群的结构组成和数量可以随着内外各种因素的波动而不断变化。因此，肠道菌群稳态通常是指肠道菌群的结构组成与宿主健康之间的一种动态平衡状态，通常从肠道细菌的数量和不同种类细菌的相对丰度这两个角度来进行衡量(Ryuetal., 2008; Buchonetal., 2013)。虽然肠道菌群在宿主昆虫的众多生理活动中扮演关键角色，但是昆虫的肠道菌群是由许多不同种类的细菌集合形成的一个复合动态群落，而且这些细菌对于昆虫来说并不都是有益的。例如，假单胞菌属细菌Pseudomonasspp.是地中海实蝇Ceratitiscapitata肠道菌群中组成丰度较小的一类细菌，而且这种肠道细菌的组成丰度被喂食提高后会明显缩短该实蝇成虫的寿命(Beharetal., 2008)。相似的是，在入侵害虫红棕象甲的肠道中分离获得了一种名为S.marcescens的细菌(Muhammadetal., 2017)，但是该细菌对红棕象甲具有很强的致死能力(Puetal., 2016; Muhammadetal., 2019)。上述结果说明不是所有的肠道细菌对宿主昆虫来说都是朋友，其中有些肠道细菌是条件性致病菌(Leeetal., 2013; Kimetal., 2020)。此外，在黑腹果蝇的研究中发现，当其肠道菌群的组成结构被改变后，果蝇肠上皮细胞的凋亡水平显著高于对照组，进而引发肠道疾病的发生和寿命的缩短(Ryuetal., 2008; Iatsenkoetal., 2018)。除草剂草甘膦(glyphosate)的暴露处理能够明显改变蜜蜂的肠道菌群结构，进而导致这些蜜蜂在病原细菌感染情况下的存活力显著降低(Mottaetal., 2018)。上述案例说明肠道菌群稳态的变化能够给宿主昆虫带来明显的消极影响，比如导致昆虫发育延缓、寿命缩短和慢性炎症等疾病的产生(Kamadaetal., 2013; Guoetal., 2014; Muhammadetal., 2017, 2019; Iatsenkoetal., 2018)。由此可见，对于宿主昆虫来说，如何维持一个健康的肠道菌群稳态至关重要。已有证据表明，取食、发育状态和日龄等众多因素都能够影响到昆虫肠道菌群稳态的维持。与其它病原细菌一样，绝大多数肠道细菌在其新陈代谢的过程中都会释放肽聚糖(peptidoglycan，PGN)和脂多糖(Chuetal., 2013)，而肽聚糖和脂多糖正是昆虫识别“异己”进而激活其免疫系统的一类重要抗原物质(Royet and Dziarski, 2007; Leeetal., 2013)。因此，对于宿主昆虫来说，如何有效地管理来自肠道菌群的这些抗原物质而避免肠道免疫的过度激活来维持健康的肠道菌群稳态是一个非常重要的挑战。另外，一些非肠道细菌能够随着昆虫取食而进入其肠道内，这时宿主昆虫需要有一定的策略来清除这些非肠道细菌的同时还需要维持其健康的肠道菌群稳态。研究证实，宿主的肠上皮细胞有一种特殊的识别机制来区分肠道细菌和非肠道细菌。例如，黑腹果蝇的肠上皮细胞能够通过识别非肠道细菌所代谢产生的特异性代谢物-尿嘧啶(uracil)从而特异地激活肠道免疫来清除非肠道细菌以维持稳态(Leeetal., 2013; Kimetal., 2020)。然而，这种机制是否普遍存在于其它昆虫种类还不得而知，值得进一步深入探究。这种机制的解析有望为害虫治理策略研发提供新的作用靶标和科学思路。

3 昆虫耐受和调控肠道菌群相关机理的研究现状

在一般情况下，肠道中有围食膜(peritrophic matrix)和黏液层(mucus)这两种物理屏障可以避免肠道细菌、肠腔内容物与肠上皮细胞的直接接触从而在一定程度上促进宿主-肠道菌群共生体系的维持(Kuraishietal., 2011)。bigbang基因编码一些含有PDZ(PSD-95, Discs-large, ZO-1)结构域的蛋白，这些蛋白发挥支架蛋白的功能，在黑腹果蝇肠道粘膜分隔连接(septate junctions)的形成中具有重要作用。当该基因被敲除后，黑腹果蝇肠道中的分隔连接变得松散，肠道微生物能够穿透肠道粘膜而直接接触肠上皮细胞并激活肠道免疫产生慢性炎症反应，导致成虫的寿命缩短(Bonnayetal., 2013)。由此可见，肠道中的围食膜等物理屏障在昆虫肠道菌群稳态的维持中通常发挥重要作用。此外，宿主的肠道免疫系统在宿主-肠道菌群共生体系的维持和调控、宿主对肠道细菌的反应等过程中扮演举足轻重的角色(Chenetal., 2019; Xiaoetal., 2019)。例如，黑腹果蝇和按蚊Anophelesstephensi的肠上皮细胞能够分泌产生活性氧(reactive oxygen species, ROS)(Oliveiraetal., 2011; Leeetal., 2013)和抗菌肽(Ryuetal., 2008)来调控肠道菌群的组成和数量。鉴于肠道菌群功能的重要性，肠道菌群被广泛认为是多细胞动物体内的一个“超级器官(superorgan)”。因此，从长期的进化角度来看，宿主免疫系统和其肠道菌群之间应该是一种互利合作(cooperative)而非拮抗(antagonisitic)的关系。哺乳动物肠粘膜的慢性炎症反应对宿主来说通常是有害的(Yaoetal., 2017)。在黑腹果蝇的相关研究中也发现了相似的现象，由肠道菌群结构组成的改变而导致的持续过度激活的肠道免疫反应对其本身也是不利的(Buchonetal., 2009; Liuetal., 2017)。因此，为维持一个健康的肠道菌群稳态，宿主的肠道免疫反应强度应该时刻处于一种非常精细的调控之中，从而使肠道保持适度的免疫活性在能够清除非肠道细菌的同时耐受有益肠道细菌的存在。令人惊讶的是，最近的研究发现宿主和肠道细菌都能够利用不同的策略来维持这样的共生关系。例如，黑腹果蝇的肠道免疫反应受到多种负调控因子，如PIMS(Lhocineetal., 2008)、多胺(polyamines)(Makietal., 2017)、Bap180(Heetal., 2017) 和组蛋白甲基化酶KDM5(Chenetal., 2019)，在免疫系统的不同层级上精密调控从而避免肠道免疫的过激反应进而破坏健康的肠道菌群稳态；同时肠上皮细胞也能够分泌产生降解肠腔内肽聚糖的酰胺酶活性PGRP-LB从而避免肠道免疫系统的过度激活(Paradesetal., 2011; Charrouxetal., 2018; Dawadietal., 2018)；更为有趣的是，我国科学家在埃及伊蚊Aedesaegypti的研究中发现肠道细菌可以利用宿主肠上皮细胞产生的C型凝集素(C-type lectin)作为“外衣”而“屏蔽”宿主抗菌肽对其的攻击，从而能够安然无恙地生活在蚊虫的肠道中保持健康的肠道菌群稳态(Pangetal., 2016)。

4 肠道菌群研究在害虫管理中的应用前景

自古以来，害虫一直是严重影响农业生产安全、人类健康甚至国家安全的重要威胁因素。因此，如何高效、经济且绿色地控制害虫是现今科学界内的一个重要课题和挑战。半个多世纪以来，施用化学杀虫剂是害虫防治实践上的一种主要手段。化学杀虫剂的广泛使用虽然在一定程度上遏制了害虫的暴发成灾，但是却导致了害虫抗药性的产生、农药残留和环境污染等诸多问题。这些问题的出现迫使人类去不断研究开发经济高效且对环境友好的害虫管理新方法。在此背景条件下，生物防治、昆虫不育技术和害虫生态调控策略等害虫管理新策略的集成研发和应用受到的重视越来越多，而且在害虫防治上取得了一定的成绩，但是还有很大的提升空间。近些年来，随着昆虫与其共生菌之间互作研究的深入，科学家们逐渐发现昆虫共生菌在害虫管理中具有很大的应用潜力，并在利用共生菌控制虫害及其相关虫媒病等方面取得了较好的进展。鉴于共生微生物在昆虫众多关键生理过程中的重要作用，有学者提出一种 “微生物资源管理(Microbial Resource Management, MRM)”的害虫控制新策略(Jurkevitch, 2011; Crottietal., 2012)。例如，Wolbachia是一种广泛存在于节肢动物的胞内共生细菌，以母系遗传的方式进行垂直传递。在许多昆虫体内，Wolbachia已被明确具有诱导胞质不亲和、孤雌生殖、雌性化和杀雄等生殖调控作用，并能抑制蚊媒病毒和疟原虫的感染(Bianetal., 2005; Blagroveetal., 2012; Mainsetal., 2016)。基于Wolbachia的昆虫不相容技术(incompatible insect technique, IIT)是当前利用共生菌控制害虫种群最成功的案例；相比昆虫不育技术而言，IIT的优势在于Wolbachia对雄蚊的交配竞争力和生存力基本没有影响(Zhengetal., 2019)。肠道菌群是指生活在昆虫肠腔内的细菌群落集合，它们与宿主互作的方式和机理与内共生菌有所不同。已有证据表明，昆虫肠道中栖居的细菌对宿主并不都是有利，其中一些细菌是条件性致病菌。肠道细菌主要是通过其代谢物来调控宿主的适合度，而且这些代谢物大多数是具有多重生物活性的新天然产物(Martinezetal., 2017; 徐晓等，2018)。因此，加强昆虫肠道菌群结构和功能的研究不仅可能发现一些新的生防天敌资源，而且也可能获得一些具有重要生物活性的先导性化合物进而促进新型生物农药的研发。基于微生物更易进行遗传操作、扩大培养等优点，在昆虫共生菌研究的基础上衍生发展出了一种新的病虫害防控策略-转基因共生菌(Paratransgenesis)，即通过对昆虫共生菌进行遗传操作，使其作为基因表达载体对宿主产生转基因效果，实现对害虫和虫媒病的防治(王四宝和曲爽，2017)。这项技术已经作为一种极具前景的防控手段用于治理虫媒病的传播。例如，通过遗传改造手段使按蚊肠道细菌Pantoeaagglomerans和Serritiasp. AS1能够利用大肠杆菌溶血素I型分泌系统表达产生SM1、Scorpine、(EPIP)4等多种抗疟分子，然后经喂食将该转基因细菌引入按蚊肠道后能够明显抑制疟原虫的发育。这一新策略为控制疟疾等蚊媒病和植物虫媒病的传播提供了新的思路(Wangetal., 2012, 2017)。释放不育雄虫是当前生产实践上防治实蝇类害虫的一种常见重要措施。然而，经过射线辐照处理获得的地中海实蝇C.capitata不育雄虫在田间的交配竞争力明显降低(Luxetal., 2002)；雄虫肠道中Klebsiella属细菌的丰度明显降低，而条件性致病菌Pseudomonas的丰度显著增加；当喂食K.oxytoca后，不育雄虫的交配竞争力明显增强(Amietal., 2010)。这些研究充分地说明通过人为调控害虫肠道菌群的手段来防治病虫害是切实可行的。然而，该理念更多地还只是在实验室内被验证，在生产实践上应用成功的案例凤毛麟角。究其原因，影响该策略成功与否的关键因素是如何使遗传改造后的肠道细菌在害虫肠道内高效定殖并与宿主和谐共存且能在自然种群中扩散。

纵观当前关于昆虫肠道菌群的相关研究报道，不难发现这些报道更多地聚焦于昆虫肠道菌群结构的解析及其对宿主的生理贡献。对于昆虫宿主如何调控和维持其健康的肠道菌群稳态这方面的科学问题研究关注相对很少，而且非常有限的相关报道也是主要来自于模式昆虫黑腹果蝇、冈比亚按蚊Anophelesgambiae和埃及伊蚊等。众所周知，昆虫种类繁多、生态习性千差万别。因此，来自于模式昆虫的相关研究报道很难泛化到一些重要的农林害虫。目前，虽然已发现许多重要的农林害虫如小菜蛾Plutellaxylostella(Xiaetal., 2017, 2018)、Spodopteralittoralis(Chenetal., 2016)和红脂大小蠹Dendroctonusvalens(Zhouetal., 2017; Chengetal., 2018)等都具有扮演重要生理角色的肠道菌群。然而，关于害虫如何耐受肠道菌群并维持健康肠道菌群稳态的机理尚不知晓。来自模式昆虫的研究证实，宿主的肠道免疫在其肠道菌群稳态的维持和调控过程中扮演关键角色(Ryuetal., 2008; Leeetal., 2013)。模式昆虫中的这些重要发现在上述农林害虫中是否保守存在还有待于进一步验证。另外，在入侵害虫红棕象甲的研究中，发现RfPGRP-LB能降解肽聚糖而避免肠道免疫的过度激活来调控该害虫的肠道菌群稳态；当被沉默后，红棕象甲的肠道菌群稳态失衡(Dawadietal., 2018)。然而，肠道中的细菌感染信号如何由胞外传递至胞内并启动这种分泌型PGRP合成的调控机理尚不清楚。此外，肠上皮细胞如何高效地区分肠道细菌和非肠道细菌是害虫维持其肠道菌群稳态的重要前提，但是目前还没有来自农林害虫关于此问题的相关报道。和哺乳动物等模式生物类似，维持健康的肠道菌群稳态对于害虫的正常生长发育至关重要。在害虫抗药性发生猖獗的当前，创新和发展靶向破坏害虫与其肠道菌群共生关系体系的害虫治理新策略具有重要的战略价值。因此，深入地研究探索害虫与其肠道菌群互作的分子机理不仅具有重要的科学价值，同时也具有深远的实践意义。