改造后的蜜蜂肠道微生物能够防治蜂螨和DWV

中国农业科学院蜜蜂研究所，北京 100093

在过去的几十年中，蜂螨和病毒通常联合起来威胁蜂群健康，蜂螨通过取食蜜蜂的脂肪体，不仅能够使蜂群变弱，而且还能够传播疾病，如传播残翅病毒（DWV）引起疾病。

正如每一个读这篇专栏的读者所了解的那样，在防治蜂螨和病毒方面，蜂农使用的方法极其有限，如一两种酸类，一些香精油，IPM（有害生物综合防治）措施以及几种合成的化学药剂，雪上加霜的是，我们发现蜂螨已经对合成的化学药剂产生抗性，而一个令人振奋的消息是关于一种新的基因方法来防治螨类和病毒的开创性研究刚刚发表。这篇发表在《自然》杂志的“改造共生体能够激活蜜蜂的免疫力并限制病原菌”文章，作者是来自奥斯汀的德克萨斯大学的肖恩-伦纳德及其同事，目前伦纳德是一位在南希·莫兰教授实验室工作的博士生。伦纳德和其同事从基因方面修饰了蜜蜂体内自然存在的肠道菌，从而“教”蜜蜂的免疫系统识别并消灭病毒和蜂螨。只要蜜蜂宿主接受这些工程微生物，它们就会产生RNA干扰（RNAi）分子来改变蜜蜂基因的表达和免疫力，从而得到这样的结果。

这到底是什么意思呢？在大多数动物包括蜜蜂和蜂螨的免疫系统中，RNAi是一种重要的组成成分。简言之，动物免疫系统能够检测到由病毒产生的双链RNA（dsRNA）分子（如由DWV产生的dsRNA），由于dsRNA分子是动物产生疾病的一种信号，然后其体内的免疫反应将会启动检测并消灭这些入侵者。蜜蜂的免疫系统“学习认识”了该dsRNA分子的遗传密码，然后将其他所有具有相同遗传密码的分子作为靶标并破坏它们。

之前已经有研究表明在蜜蜂感染DWV病毒之前，如果饲喂含有特异性DWV的dsRNA能够增加蜜蜂寿命并在受感染的蜜蜂体内减少病毒含量，这表明RNAi能够有效的“沉默”这些病毒。然而目前所面临的问题是如何为蜜蜂提供持续的dsRNA来源，以便其能够将感染蜜蜂的所有病毒都作为靶标。

这就是伦纳德和其同事所研究的真正突破点，直接取代持续饲喂蜜蜂dsRNA分子，作者改造了蜜蜂肠道中自然存在的细菌，从而使这些细菌能够产生dsRNA分子。尤其是从基因上改造了其中一种肠道菌Snodgrassellaalvi（S.alvi），使其能够不停的产生dsRNA分子从而为蜜蜂免疫系统将DWV和蜂螨作为靶标做好准备。

但是首先研究人员必须确保基因改造后的S.alvi能够在蜜蜂肠道中存活并且产生能够被蜜蜂组织吸收的分子。为了做到这一点，他们给蜜蜂饲喂经过基因修饰的细菌S.alvi并产生了“非靶标”的dsRNA分子作为这种概念的证据，他们发现这些dsRNA分子在细菌栖息的肠道之外循环，同时直到在15天实验的最后时刻，他们在蜜蜂的组织中检测到了这些分子，这表明S.alvi产生的dsRNA在蜜蜂体内能够自我维持。此外经过基因修饰的S.alvi菌株能够通过社会性的相互作用在同一蜂箱中的蜜蜂之间传播，因此在整个蜂群中构建这种细菌可能仅需接种一小部分蜜蜂即可。

由此我们获得了体内含有从基因水平增强肠道菌产生dsRNA分子的蜜蜂，而且这种细菌也能够传播给其他蜜蜂，并在蜜蜂体内持续存在超过两个星期。目前的问题是怎样能够将这种技术用于保护蜜蜂？下一步要做的是利用这种工具将病毒和蜂螨作为靶标。残翅病毒是一种广泛分布的RNA病毒并且其感染工蜂后能够引起翅膀畸形及减少工蜂的寿命。研究表明通过RNAi“沉默”DWV和其他病毒能够提高蜜蜂的寿命和健康，但是必须持续提供dsRNA才能达到保护蜂群的效果。

因此，研究人员改造了S.alvi细菌使其能够产生与DWV基因序列相匹配的dsRNA分子。为检测它的效果，他们将DWV病毒注射到蜜蜂体内，与没有经过基因修饰细菌饲喂的对照组蜜蜂相比，之前给蜜蜂饲喂改造后的细菌会不停的产生特异性DWV的dsRNA。在10天的观察实验中发现，与对照组相比，蜜蜂肠道中含有在基因水平得到增强的微生物能够产生特异性DWV的dsRNA，并且存活率也比对照组蜜蜂高约36.5%。

能够将特异性病毒敲除听起来很不错，但是螨类能够传播许多不同的具有独特遗传密码的病毒，那么将蜂螨消灭怎么样？由于它们含有病毒并传播疾病，所以在蜂群中的蜂螨水平通常能够预测病毒的流行趋势。蜂螨不仅与DWV有联系，而且也与其他有害的病毒如IAPV和黑蜂王细胞病毒（BQCV）有关。因此作者下一步尝试改造细菌的计划是有道理的，其靶标不仅是DWV的遗传密码，而且还有蜂螨的基因序列。

为了做到这一点，研究人员利用了蜂螨的免疫系统，因为这些寄生虫也是依靠RNAi来抵抗入侵者的。研究人员培养了一种新的能够产生dsRNA的S.alvi细菌菌株，这种新菌株匹配了蜂螨中关键基因的遗传密码。由于蜂螨吸取蜜蜂的血淋巴，同时它们也会吸收那些蜜蜂体内含有蜂螨特异性dsRNA的分子，而这些分子能够引发螨类的免疫系统将所有与遗传密码相同的分子作为靶标并破坏这些靶标，甚至是它自身的遗传密码也会被破坏！

蜂螨特异性dsRNA能够成功的欺骗蜂螨自身的免疫系统，因此它会攻击并摧毁它自身。的确，这种方式对蜂螨死亡率的影响是显著的。

这种结果听起来令人难以置信。这样做的目的是什么？而且这对蜂农来说意味着什么？就像所有的转基因生物一样，在应用于实际生产之前，它们必须经过更长时间的进一步检测以及监管审查来判断其安全性，因此不要期望明天就会有成包的转基因细菌出售。而做出判断的最重要一点是，在蜜蜂肠道以外的环境中，这种经过基因改造的细菌是否能够生存，以及是否存在这些细菌能够传播给非靶标生物体的风险。细菌产生的dsRNA经过特异性设计，能将病毒或者蜂螨的基因序列作为靶标，而限制了非靶标效应的可能性。据我们了解，这种S.alvi细菌菌株仅能够在蜜蜂的消化道中生存繁殖，而在其他蜂类和昆虫肠道中则不能，但是在实际应用这种技术之前，必须通过进一步的工作来评估这种可能性。

伦纳德和其同事们的研究可能会为蜂农的防治方法提供一个令人兴奋的未来工具，利用这个工具可以持续的防治蜂螨和其传播的疾病（见图1，其是对以上主要调查结果的总结）。在蜜蜂肠道中一旦将基因工程菌构建成功，或许能够对蜜蜂进行长期保护。由于目前所有对蜂螨的处理都是短期有效并且需要重复使用，给养蜂带来了较高成本，而这种可能性尤其令人兴奋。

图1 调查结果总结

此外，这项技术的另一个令人兴奋的方面是其适应性（一语双关）。的确，由于这种方法是一种保护性工作，病毒或者螨类是很难进化出抗性的，或者如果它们进化出抗性，通过改变细菌的靶标序列并匹配上新的病毒/螨类基因序列的菌株就很容易克服掉这种抗性。

最后，由于蜜蜂是完全社会性昆虫，且它们彼此间联系紧密，因此在蜂群中部分蜜蜂取食经过基因修饰的细菌并使这些细菌在工蜂之间相互传播从而使整个蜂群受到保护的方法是可行的。作者指出他们的研究还没有解决这个问题，需要做更多的研究来判断是否转基因细菌能够在蜜蜂个体之间传播并且持续时间超过两个星期。

总的来说，伦纳德和其同事们的最新研究是诱人的，且这项研究或许不仅仅可以用于蜜蜂，因为有足够的证据表明蜜蜂病毒能够“渗透”到本地的其他蜂类和传粉昆虫。最新的研究证明与周围没有蜂场的地方相比，有蜂场的地方，其附近的野生花和熊蜂更容易感染病毒，包括DWV，这表明蜜蜂可能是这种疾病模式在更广泛的传粉昆虫类群中传播的驱使者。利用基因工程细菌保护蜜蜂不受蜂螨和其相关病毒的侵染，它们可能也会对野生传粉昆虫起到保护作用，我们很期待看这种技术在将来如何继续发展（希望不要太遥远）。