朱翔宇,尤士駿,*,劉天生,張 玲,尤民生

(1.福建農(nóng)林大學(xué)應(yīng)用生態(tài)研究所,閩臺(tái)作物有害生物生態(tài)防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州350002; 2.福建農(nóng)林大學(xué),教育部害蟲生態(tài)防控國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,福州 350002; 3.福建農(nóng)林大學(xué),農(nóng)業(yè)部閩臺(tái)作物有害生物綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350002)

節(jié)肢動(dòng)物體內(nèi)存在著種類繁多的微生物，這些微生物分布于節(jié)肢動(dòng)物的不同器官或部位，包括節(jié)肢動(dòng)物的腸道、生殖系統(tǒng)等。微生物與其宿主間的共生關(guān)系十分復(fù)雜，同時(shí)受到各種環(huán)境因素和宿主遺傳背景的影響；許多微生物對(duì)宿主也具有重要的調(diào)控作用，包括對(duì)宿主新陳代謝的調(diào)控作用(Darbyetal.,2012)、宿主生殖系統(tǒng)的調(diào)控作用(Hurstetal.,1999;劉穎等,2010;Harumoto and Lemaitre,2018)等。

相比于胞外共生菌，胞內(nèi)共生菌的種類要少得多。胞內(nèi)共生菌位于宿主細(xì)胞內(nèi)，主要通過(guò)母系細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行垂直傳播，且多數(shù)無(wú)法離體培養(yǎng)，這些特性使得對(duì)胞內(nèi)共生菌的研究工作更具難度。但正是由于母系垂直傳播的特性，某些共生菌在進(jìn)化過(guò)程中為了擴(kuò)大自身在宿主種群中的傳播，對(duì)宿主的生殖系統(tǒng)產(chǎn)生了調(diào)控作用，一種較為顯著的現(xiàn)象就是使宿主種群的性別比率發(fā)生明顯變化(Engelst?dter and Hurst,2009)。近年來(lái)，研究人員們發(fā)現(xiàn)多種內(nèi)共生菌對(duì)宿主的調(diào)控作用是多方面的，包括調(diào)控宿主的行為(Dionetal.,2011)、免疫(Grossetal.,2009;Nyholm and Graf,2012)、新陳代謝(McCutcheonetal.,2009)、進(jìn)化(Brucker and Bordenstein,2012) 等。沃爾巴克氏體Wolbachia作為一種兼性內(nèi)共生菌，因其分布廣泛、對(duì)宿主具有多種調(diào)控作用，成為研究最廣泛的內(nèi)共生菌之一。

Wolbachia最初被發(fā)現(xiàn)于尖音庫(kù)蚊Culexpipiens的生殖組織中 (Hertig and Wolbach,1924)，屬立克次氏體目α-變形菌門，革蘭氏陰性菌。隨后通過(guò)抗生素消除處理證實(shí)宿主的胞質(zhì)不親和現(xiàn)象和該菌有關(guān)(Yen and Barr,1971)，接著陸續(xù)發(fā)現(xiàn)Wolbachia具有殺雄、雌性化、孤雌生殖等其他生殖調(diào)控作用，使其逐漸成為研究熱點(diǎn)。Wolbachia存在于許多節(jié)肢動(dòng)物尤其是昆蟲中，包括庫(kù)蚊Culex(Hertig and Wolbach,1924;宋社吾等,2002)、伊蚊Aedes(Trpisetal.,1981)、果蠅Drosophila(Klassonetal.,2009;熊恩娟等,2014)、寄生蜂(劉宏岳等,2009;Monninetal.,2017)、小菜蛾P(guān)letellaxylostella(Delgado and Cook,2009)、褐飛虱Nilaparvatalugens(屈呂宇等,2013)等，其中有多種昆蟲屬于農(nóng)業(yè)害蟲及疾病媒介昆蟲。Wolbachia在昆蟲中的廣泛分布及其對(duì)宿主的調(diào)控作用被認(rèn)為具有良好的生物防治應(yīng)用前景。

迄今為止該內(nèi)共生菌已有近百年的研究歷史，在Web of Science上以“Wolbachia”為關(guān)鍵詞搜索可以發(fā)現(xiàn)1950年后的相關(guān)研究報(bào)道已經(jīng)超過(guò)5 300篇；特別是進(jìn)入21世紀(jì)后的研究工作突飛猛進(jìn)，相關(guān)研究報(bào)道超過(guò)5 000篇，涉及生化與分子生物學(xué)、基因遺傳學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)以及寄生生物學(xué)等多個(gè)方面。在該共生菌被發(fā)現(xiàn)及命名后，其研究工作迅速發(fā)展，尤其是其對(duì)不同宿主物種的生殖調(diào)控作用及通過(guò)對(duì)該菌的某種調(diào)控方式可達(dá)到對(duì)某些疾病媒介宿主物種的防控從而減少某些疾病的傳播，受到更多的研究人員重視并開展相關(guān)的研究工作。

本文主要對(duì)近年來(lái)節(jié)肢動(dòng)物內(nèi)共生細(xì)菌Wolbachia與宿主間相互作用關(guān)系的研究進(jìn)展做一個(gè)回顧和綜述，重點(diǎn)是闡述Wolbachia對(duì)宿主的調(diào)控作用及調(diào)控方式，Wolbachia基因組相關(guān)研究進(jìn)展及在生物防治的應(yīng)用研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的研究方向提出展望。

1 Wolbachia對(duì)宿主的感染

Wolbachia是一種在節(jié)肢動(dòng)物中普遍存在的內(nèi)共生菌。據(jù)推測(cè)，有40%～60%的節(jié)肢動(dòng)物都感染有Wolbachia(Hilgenboeckeretal.,2008;Zug and Hammerstein,2012)。目前有大量不同宿主中Wolbachia感染情況檢測(cè)及系統(tǒng)發(fā)育分析的相關(guān)研究報(bào)道：Ahmad等(2017)在白紋伊蚊Aedesalbopictus中檢測(cè)到的感染率為雄蟲98.6%，雌蟲95.1%；婁恒等(2015)在不同地理種群的花薊馬Frankliniellaintonsa中檢測(cè)到的感染率為0～60%；李紹建等(2019)在不同地理種群的棉蚜Aphisgossypii中檢測(cè)到的感染率為6.67%～46.67%。但其對(duì)Wolbachia感染率的檢測(cè)數(shù)據(jù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估了其在自然界中的感染率。主要原因如下：(1)有的物種感染有Wolbachia，但由于感染率較低、取樣量有限，存在樣本中未檢測(cè)到Wolbachia感染但自然種群中存在Wolbachia的情況；(2)目前檢測(cè)Wolbachia感染的方法主要是通過(guò)PCR擴(kuò)增Wolbachia的細(xì)菌表面蛋白基因wsp(Zhouetal.,1998)，而在PCR擴(kuò)增過(guò)程中可能會(huì)因操作不當(dāng)?shù)戎饔^原因存在假陰性現(xiàn)象。

采用多位點(diǎn)序列分型分析(multilocus sequence typing,MLST)的方法，構(gòu)建不同株系間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，可以把Wolbachia分為多個(gè)超群(supergroup)(Baldoetal.,2006)，目前研究報(bào)道最多的是A～D超群。不同的昆蟲物種與不同的Wolbachia超群間可能存在某種特殊的“適應(yīng)性”，如A,B,E,G,H,I,K,M,N,O,P和Q超群感染的宿主都是節(jié)肢動(dòng)物(Lefoulonetal.,2016)；C和D超群感染的宿主是線蟲(Darbyetal.,2012;Lefoulonetal.,2016)；F超群感染的宿主既有線蟲也有節(jié)肢動(dòng)物(Lefoulonetal.,2016)；鱗翅目昆蟲感染的Wolbachia多屬于A超群和B超群，而且大多都屬于B超群(Tagami and Miura,2004;Ahmedetal.,2016)。

2 Wolbachia對(duì)宿主的調(diào)控作用

2.1 生殖調(diào)控

Wolbachia對(duì)宿主的調(diào)控作用一直是Wolbachia相關(guān)研究中的熱點(diǎn)，而且由于它在生物防治方面的應(yīng)用前景，受到研究人員的高度關(guān)注(表1)。目前已有記載的Wolbachia對(duì)宿主的生殖調(diào)控方式主要有4種，分別是胞質(zhì)不親和、殺雄、雌性化及孤雌生殖(圖1:A)。

2.1.1胞質(zhì)不親和：胞質(zhì)不親和，即感染雄性個(gè)體與未感染雌性個(gè)體之間交配后產(chǎn)的卵無(wú)法發(fā)育為正常個(gè)體。胞質(zhì)不親和又分為單向不親和與雙向不親和兩種形式。單向不親和是指感染雄性個(gè)體與未感染雌性個(gè)體間交配不親和，但感染雌性個(gè)體與未感染雄性個(gè)體間交配則是親和的；雙向不親和是指感染不同互相不親和Wolbachia株系時(shí)，感染雄性個(gè)體與未感染雌性個(gè)體間及感染雌性個(gè)體與未感染雄性個(gè)體間的交配都是不親和的。

胞質(zhì)不親和是Wolbachia在節(jié)肢動(dòng)物中記載最多的一種生殖調(diào)控方式(Werrenetal.,2008)。雖然胞質(zhì)不親和的分子機(jī)制目前仍不清楚，但細(xì)胞學(xué)的相關(guān)研究顯示，被感染后父系染色體凝集異常且在第一次有絲分裂時(shí)期異常分離，導(dǎo)致胚胎死亡(Serbusetal.,2008)。在一些昆蟲宿主中(Dobsonetal.,2001;Riegler and Stauffer,2002;Mer?ot and Charlat,2004)，胞質(zhì)不親和可用“修飾-營(yíng)救”(modification-rescue)模型解釋：Wolbachia修飾(modification)感染雄性個(gè)體的精子使其喪失生殖功能，且這種修飾作用只有在與感染同種Wolbachia的雌性個(gè)體卵子融合時(shí)才可以被營(yíng)救(rescue)(Werren,1997;Charlatetal.,2001)。

LePage等(2017)假設(shè)Wolbachia的基因組中存在與其胞質(zhì)不親和作用有關(guān)的功能基因，并通過(guò)比較基因組學(xué)等方法鑒定出了果蠅中Wolbachia的數(shù)個(gè)噬菌體WO基因與其胞質(zhì)不親和作用有關(guān)；Zheng等(2019)結(jié)合昆蟲不育技術(shù)通過(guò)田間試驗(yàn)證實(shí)了Wolbachia胞質(zhì)不親和作用可以成功應(yīng)用于生物防治。

2.1.2殺雄：殺雄，即宿主感染W(wǎng)olbachia雌性個(gè)體的雄性后代被殺死在發(fā)育早期(通常發(fā)生在卵期，也可以發(fā)生在1齡幼蟲期)，從而出現(xiàn)明顯偏向于雌性的性比失衡現(xiàn)象。

Hurst等(1999)發(fā)現(xiàn)二星瓢蟲Adaliabipunctata和非洲珍蝶Acraeaencedon中存在具殺雄作用的Wolbachia株系，可以將雄性宿主個(gè)體殺死于胚胎發(fā)育時(shí)期；隨后在甲蟲Triboliummadens(Fialho and Stevens,2000)、幻紫斑蛺蝶Hypolimnasbolina(Dysonetal.,2002)、果蠅Drosophilainnubila(Dysonetal.,2002;Dyer and Jaenike,2004)等物種中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)具有殺雄作用的Wolbachia株系。

有學(xué)者對(duì)殺雄作用提出以下假說(shuō)：Wolbachia可使其感染雌性個(gè)體從未感染雄性個(gè)體的死亡中獲得某種“好處”：這種“好處”可能是近親繁殖的減少或資源競(jìng)爭(zhēng)力的下降(Hurst and Majerus,1993)，Elnagdy等(2011)在瓢蟲中的相關(guān)研究結(jié)果符合該種假說(shuō)。Riparbelli等(2012)發(fā)現(xiàn)，在果蠅中Wolbachia的殺雄作用跟染色質(zhì)異常重排有關(guān)；Harumoto等(2018)發(fā)現(xiàn)，在果蠅中殺雄Wolbachia會(huì)導(dǎo)致DNA損傷及雄性胚胎形成時(shí)期的不正常細(xì)胞死亡，這跟果蠅中另一具殺雄作用的共生菌Spiroplasma的殺雄作用極為相似，不同的是未發(fā)現(xiàn)Wolbachia對(duì)雄性胚胎的神經(jīng)發(fā)育有明顯影響。

Wolbachia殺雄作用的分子機(jī)制尚不清楚。由于殺雄作用跟多種因素相關(guān)，且Wolbachia不是具有殺雄作用的唯一共生物，其他共生物如Spiroplasma(Harumoto and Lemaitre,2018) 等也具有殺雄作用，這使得對(duì)該種生殖調(diào)控方式的研究更具挑戰(zhàn)性。

2.1.3雌性化：雌性化是指基因型為雄性表型卻為雌性的一種現(xiàn)象，它是Wolbachia對(duì)宿主生殖系統(tǒng)調(diào)控的另一種方式。Wolbachia調(diào)控的雌性化最典型例子發(fā)現(xiàn)于甲殼綱等足目鼠婦Armadillidiumvulgare(Juchaultetal.,1992;Cordauxetal.,2004)，在雌性為異性配子的葉蟬(Negrietal.,2006)和鱗翅目昆蟲中也有相關(guān)研究報(bào)道。

雌性化的具體機(jī)制目前尚不清楚。鱗翅目昆蟲性別決定機(jī)制較為特殊，雌性為異性配子，在鱗翅目中Wolbachia誘導(dǎo)產(chǎn)生的雌性化應(yīng)是基因型雄性(ZZ)表型雌性的個(gè)體。Wolbachia在鱗翅目昆蟲中的雌性化最早發(fā)現(xiàn)于Euremamandarina(Hirokietal.,2002)；Narita等(2007)通過(guò)對(duì)不同齡期的E.mandarina幼蟲喂食抗生素，發(fā)現(xiàn)經(jīng)抗生素喂食后發(fā)育的成蟲在翅、生殖系統(tǒng)及生殖器上表現(xiàn)出明顯的中性特征，且這些中性特征在1齡幼蟲期喂食處理后發(fā)育的成蟲上最為顯著；但E.mandarina中的雌性化似乎比預(yù)期中的情況更為復(fù)雜，感染雌性化wFem株系Wolbachia的雌性個(gè)體只有1條Z染色體，并不是假想中的ZZ型雌性個(gè)體(Kernetal.,2015)；隨后的研究證實(shí)wFem株系Wolbachia可以擾亂感染雌性個(gè)體中Z染色體的遺傳(Kageyamaetal.,2017)。

2.1.4孤雌生殖：與胞質(zhì)不親和類似，Wolbachia引起的孤雌生殖會(huì)擾亂早期胚胎發(fā)育時(shí)期的正常細(xì)胞周期(Werrenetal.,2008)。誘導(dǎo)孤雌生殖的Wolbachia株系主要被發(fā)現(xiàn)于膜翅目，在螨類及纓翅目中也有記載(Arakakietal.,2001;Weeks and Breeuwer,2001)。孤雌生殖可分為產(chǎn)雄孤雌生殖和產(chǎn)雌孤雌生殖，而Wolbachia被認(rèn)為是引起產(chǎn)雌孤雌生殖的常見微生物之一。

孤雌生殖Wolbachia株系在超群A和B中都有研究報(bào)道，這些株系的作用機(jī)制不盡相同(Stouthameretal.,1993)。在赤眼蜂Trichogramma和Leptopilinaclavipes中，細(xì)胞學(xué)研究表明其孤雌生殖是由于第一次胚胎細(xì)胞分裂時(shí)期的染色體不正常分離(Stouthamer and Kazmer,1994;Pannebakkeretal.,2004)；Gottlieb等(2002)比較了產(chǎn)雌孤雌生殖物種Muscidifuraxuniraptor的早期胚胎發(fā)育時(shí)期與其聯(lián)系較為緊密的產(chǎn)雄物種Muscidifuraxraptorellus的未受精的卵發(fā)育時(shí)期，發(fā)現(xiàn)M.uniraptor中的二倍體恢復(fù)時(shí)期與之前描述的Wolbachia產(chǎn)雌孤雌生殖的時(shí)期不同；另一較為特別的孤雌生殖機(jī)制發(fā)現(xiàn)于一種植食螨類Bryobia中，抗生素處理顯示苜蓿苔螨Bryobiapraetiosa及另一未鑒別物種中，孤雌生殖直接與Wolbachia感染相關(guān)，微衛(wèi)星位點(diǎn)顯示該孤雌生殖是功能性的單性生殖而不是配子復(fù)制(Weeks and Breeuwer,2001)。

在目前已有的研究報(bào)道中，Wolbachia引起的孤雌生殖都與單倍二倍體性別決定機(jī)制有關(guān)，即單倍體卵發(fā)育為雄性，雙倍體卵發(fā)育為雌性的特殊性別決定機(jī)制。大體而言，孤雌生殖Wolbachia株系可引起未受精的單倍體卵形成雙倍體卵，并發(fā)育成雌性子代。

2.2 其他調(diào)控方式

除了Wolbachia的4種常見生殖調(diào)控方式外，另有相關(guān)研究報(bào)道了不同Wolbachia株系的一些其他調(diào)控方式。例如調(diào)控宿主新陳代謝、抵制病原菌、影響宿主行為及生殖力等(圖1:B)。

Wolbachia是一種兼性內(nèi)共生菌，在一些節(jié)肢動(dòng)物物種中可為其宿主提供生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。如在溫帶臭蟲Cimexlectularius中，Wolbachia可為其宿主提供B族維生素(Nikohetal.,2014)；在灰飛虱Laodelphaxstriatellus和褐飛虱N.lugens中，Wolbachia可為其宿主補(bǔ)充B族維生素(Juetal.,2019)。

Hedges等(2008)發(fā)現(xiàn)Wolbachia感染有利于提高果蠅的免疫力，影響病毒感染。隨后有研究報(bào)道Wolbachia感染能幫助宿主抵抗RNA病毒，提高果蠅對(duì)病毒的抗性(Teixeiraetal.,2008;Osborneetal.,2009;Martinezetal.,2014)。有研究人員先后將wAlbB,wMelPop及wMel株系Wolbachia轉(zhuǎn)染入埃及伊蚊Adesaegypti中；相關(guān)研究顯示，轉(zhuǎn)染W(wǎng)olbachia后的埃及伊蚊傳播登革熱病毒的能力顯著下降(Xietal.,2005;McMenimanetal.,2009;Moreiraetal.,2009;Walkeretal.,2011)。隨后，研究人員將轉(zhuǎn)染了相關(guān)株系Wolbachia后的埃及伊蚊在野外釋放觀察其生防效果，wMelPop株系因其對(duì)宿主壽命及生殖力方面的影響被認(rèn)為不適合于野外釋放，Hoffmann等(2011)證實(shí)wMel株系在野外釋放可以抑制登革熱病毒在埃及伊蚊中的傳播。

也有研究報(bào)道Wolbachia可影響宿主的行為及繁殖力。Vavre等(1999)發(fā)現(xiàn)赤眼蜂Trichogrammabourarachae中Wolbachia的存在可引起其繁殖力的提高；Fleury等(2000)發(fā)現(xiàn)在果蠅寄生蜂Leptopilinaheterotoma中，Wolbachia感染使其繁殖力、成蟲存活率及移動(dòng)能力顯著下降；Vala等(2004)發(fā)現(xiàn)在二斑葉螨Tetranychusurticae中Wolbachia感染個(gè)體相比于未感染個(gè)體優(yōu)先配對(duì)。

3 Wolbachia基因組的研究

目前對(duì)Wolbachia與其宿主間相互作用的研究，大多數(shù)停留在生物學(xué)或生理學(xué)的水平上，尚缺關(guān)于互作機(jī)理的深入研究報(bào)道。為了深入揭示W(wǎng)olbachia與其宿主間相互作用的機(jī)理，需要借助分子水平和基因水平的研究手段及其相關(guān)資料的綜合分析。然而由于Wolbachia是胞內(nèi)共生菌，至今無(wú)法離體培養(yǎng)(Mavinguietal.,2005)，如何獲得相關(guān)株系基因組數(shù)據(jù)一直是相關(guān)研究中的難題。

如何獲取足量、純凈的WolbachiaDNA是Wolbachia基因組測(cè)序的關(guān)鍵及難點(diǎn)所在。傳統(tǒng)的方法是先通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)獲取包含Wolbachia的宿主細(xì)胞，再通過(guò)一些方法對(duì)WolbachiaDNA進(jìn)行分離及純化。分離純化方法包括差速離心、微孔過(guò)濾、renografin連續(xù)密度梯度離心法、DNase處理、RNase處理等(Sunetal.,2001;Klassonetal.,2009;Iturbe-Ormaetxeetal.,2011)。近年來(lái)，隨著測(cè)序技術(shù)及生物信息學(xué)的飛速發(fā)展，提取宿主整蟲DNA用于測(cè)序的方法得以實(shí)現(xiàn)(Darbyetal.,2012)。

利用Wolbachia作為生防菌對(duì)宿主昆蟲進(jìn)行遺傳改造，需要對(duì)Wolbachia與其宿主相互作用的分子機(jī)制開展深入研究(表2)。以果蠅為宿主的wMel株系是首個(gè)公布全基因組序列的Wolbachia株系，該基因組大小約為1.27 Mb，最顯著的特征是有大量重復(fù)序列及可移動(dòng)元件，這在胞內(nèi)生活的物種中是較為罕見的(Wuetal.,2004)；以線蟲為宿主的wBm株系基因組相比于wMel株系，沒(méi)有前噬菌體，重復(fù)序列也較少(Fosteretal.,2005)；以蚊子為宿主、具胞質(zhì)不親和調(diào)控作用的wPip株系基因組大小為1.48 Mb，相比于wMel株系和wBm株系具有更多的前噬菌體及ANK(ankyrin repeat encoding)基因，為ANK編碼基因及前噬菌體區(qū)域的快速進(jìn)化提供了證據(jù)(Klassonetal.,2008)；隨后陸續(xù)又報(bào)道了一些不同宿主及株系的Wolbachia基因組，包括以果蠅為宿主的胞質(zhì)不親和wRi株系、wHa株系、wNo株系、wAu株系等。隨著基因組的不斷公布，促進(jìn)了Wolbachia基因組及功能基因的研究。

表2 Wolbachia基因組相關(guān)研究Table 2 Case studies related to the genomes of Wolbachia

如圖2所示，Wolbachia基因組主要包括編碼基因、tRNA、rRNA、重復(fù)序列及可移動(dòng)元件(Wuetal.,2004;Fosteretal.,2005;Klassonetal.,2008,2009;Darbyetal.,2012)。WO噬菌體首次報(bào)道于2000年，Masui等(2000)通過(guò)不同株系的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究證明該噬菌體是活躍的，且在不同株系間可以水平傳播。LePage等(2017)通過(guò)比較基因組學(xué)和轉(zhuǎn)基因等手段從果蠅wMel基因組中鑒定出2個(gè)與胞質(zhì)不親和作用相關(guān)的前噬菌體WO基因，cifA和cifB；Perlmutter等(2019)通過(guò)比較基因組學(xué)、轉(zhuǎn)基因、細(xì)胞學(xué)研究等手段從果蠅Wolbachia前噬菌體WO中鑒定出一個(gè)基因wmk，該基因可以導(dǎo)致早期胚胎的雄性特異性致死及細(xì)胞水平上典型的殺雄癥狀。這些發(fā)現(xiàn)引起了研究人員們對(duì)Wolbachia基因組中可移動(dòng)元件的重視，Reveillaud等(2019)首次從以尖音庫(kù)蚊Culexpipiens為宿主的Wolbachia基因組中鑒定出質(zhì)粒并命名為pWCP，該質(zhì)粒為14個(gè)基因組成的9.23 kb環(huán)狀質(zhì)粒。

圖2 Wolbachia基因組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the Wolbachia genome

對(duì)于Wolbachia基因組的深入研究，為揭示不同株系Wolbachia系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系(Wuetal.,2004;Brelsfoardetal.,2014)、研究Wolbachia與其宿主間相互作用的分子機(jī)制(Darbyetal.,2012;LePageetal.,2017)等奠定了基礎(chǔ)。

4 Wolbachia在生物防治中的應(yīng)用

Wolbachia對(duì)宿主的生殖調(diào)控作用在很早以前就被認(rèn)為具有生防應(yīng)用前景，率先開始生防應(yīng)用相關(guān)研究的是胞質(zhì)不親和。早在1967年，就有研究人員試圖把Wolbachia應(yīng)用到害蟲的生物防治中。在尖音庫(kù)蚊的相關(guān)研究中，Laven(1967)在籠子中放置比例為1∶1的正常雄性個(gè)體與不親和雄性個(gè)體，經(jīng)過(guò)3～4代后可以達(dá)到對(duì)尖音庫(kù)蚊的預(yù)期防控效果，且在后續(xù)小規(guī)模田間試驗(yàn)中觀察到卵不孵化的比率升高。但在1982年的一項(xiàng)田間試驗(yàn)中，Curtis等通過(guò)室內(nèi)飼養(yǎng)攜帶胞質(zhì)不親和Wolbachia株系的雄性蚊子并釋放于野外后并未獲得理想的生防效果(Curtisetal.,1982)。Wolbachia胞質(zhì)不親和作用的生防應(yīng)用試驗(yàn)長(zhǎng)期不能成功開展的原因主要是：把攜帶具胞質(zhì)不親和作用Wolbachia株系的實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)種群釋放到自然種群中，在短時(shí)期內(nèi)確實(shí)可以觀察到自然種群數(shù)量的減少。但由于釋放的Wolbachia感染雌性個(gè)體是可育的，有替代自然種群的風(fēng)險(xiǎn)，因此很難達(dá)到持續(xù)、長(zhǎng)期的生防效果(Curtisetal.,1982;Dobsonetal.,2002)。同時(shí)，釋放到野外的攜帶Wolbachia雄性個(gè)體與自然種群中雄性個(gè)體間的競(jìng)爭(zhēng)也是一個(gè)備受研究人員關(guān)注的問(wèn)題(Chambersetal.,2011;Zhangetal.,2015,Atyameetal.,2016)。Chambers等(2011)在半野外環(huán)境(semi-field conditions)中同時(shí)釋放野生型蚊子及感染胞質(zhì)不親和株系Wolbachia的雄性蚊子，調(diào)查攜帶Wolbachia雄性蚊子的配對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力，研究結(jié)果表明，在半野外環(huán)境中釋放感染胞質(zhì)不親和株系Wolbachia的雄性蚊子確實(shí)會(huì)對(duì)蚊子種群產(chǎn)生抑制作用。Atyame等(2016)對(duì)基于輻射的昆蟲不育技術(shù)(sterile insect technique,SIT)及基于Wolbachia的昆蟲不親和技術(shù)(incompatible insect technique,IIT)進(jìn)行了比較，其研究結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)條件下，昆蟲不親和技術(shù)相比于昆蟲不育技術(shù)表現(xiàn)出更高的效率。近期，研究人員結(jié)合基于輻射的昆蟲不育技術(shù)及可產(chǎn)生胞質(zhì)不親和作用的Wolbachia株系，通過(guò)胚胎注射技術(shù)對(duì)白紋伊蚊進(jìn)行改造后，在后續(xù)田間試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：持續(xù)兩年相比于對(duì)照點(diǎn)，釋放改造后蚊子的試驗(yàn)點(diǎn)野生蚊子的數(shù)量銳減率可達(dá)90%(Zhengetal.,2019)。這項(xiàng)成功得到了《Nature》雜志的專題報(bào)道，同時(shí)進(jìn)一步肯定了Wolbachia的生防前景。

除胞質(zhì)不親和外，Wolbachia在果蠅中可提高宿主對(duì)RNA病毒抗性的現(xiàn)象也引起了研究人員的關(guān)注。埃及伊蚊可攜帶登革熱等蟲媒病毒，將自然宿主為果蠅的wMel株系Wolbachia轉(zhuǎn)染入埃及伊蚊后于野外釋放可起到抑制登革熱病毒傳播的作用(Hoffmannetal.,2011)。此外，Wolbachia的其他幾種生殖調(diào)控作用也被認(rèn)為具有良好的生物防治應(yīng)用前景，部分研究人員試圖通過(guò)對(duì)Wolbachia生殖調(diào)控作用分子機(jī)制的深入研究來(lái)尋找關(guān)鍵功能基因，目前在黑腹果蠅Drosophilamelanogaster中已有胞質(zhì)不親和及殺雄的相關(guān)功能基因被報(bào)道(LePageetal.,2017;Perlmutteretal.,2019)，這也為研究人員提供了對(duì)于Wolbachia生物防治及遺傳改造應(yīng)用前景的更多思路：Wolbachia的不同生殖調(diào)控作用能否更為廣泛地應(yīng)用于更多農(nóng)業(yè)害蟲及疾病媒介昆蟲的生物防治中？不同的生殖調(diào)控作用是否都存在著相關(guān)關(guān)鍵功能基因？將已證明在某些宿主種群中生防效果良好的Wolbachia株系轉(zhuǎn)染進(jìn)其他宿主種群后生防效果如何？隨著測(cè)序技術(shù)、細(xì)胞生物學(xué)及生物信息學(xué)的飛速發(fā)展，不同宿主不同株系的Wolbachia基因組不斷破譯，相信相關(guān)機(jī)制會(huì)逐漸被闡明，相關(guān)應(yīng)用前景會(huì)逐漸被拓寬。

5 小結(jié)與展望

Wolbachia在一些農(nóng)業(yè)害蟲及疾病媒介昆蟲物種中廣泛分布，且其具有胞質(zhì)不親和、殺雄、雌性化及孤雌生殖等生殖調(diào)控方式，因而一直被認(rèn)為具有害蟲生物防治和基因工程防治應(yīng)用前景；同時(shí)，Wolbachia對(duì)昆蟲性別決定機(jī)制的影響也一直備受研究人員關(guān)注。但是，由于Wolbachia為胞內(nèi)共生菌、無(wú)法離體培養(yǎng)、基因組數(shù)據(jù)難以獲取等原因，Wolbachia與宿主的相互作用機(jī)制研究相對(duì)較少。目前大量相關(guān)研究工作都圍繞Wolbachia在不同昆蟲物種中的分子檢測(cè)及系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系分析方面展開(陶云荔等,2015;李菁等,2018)；也有部分研究人員使用抗生素消除的方法研究消除Wolbachia對(duì)宿主生殖的影響(李培光等,2015)，這為后續(xù)對(duì)Wolbachia生殖調(diào)控的深入研究提供了基礎(chǔ)。近年來(lái)，借助于測(cè)序技術(shù)及生物信息學(xué)的飛速發(fā)展，使得用宿主整蟲測(cè)序后分離獲得Wolbachia基因組的方法得以實(shí)現(xiàn)，這可能會(huì)大大加速相關(guān)研究的進(jìn)程；細(xì)胞學(xué)相關(guān)研究方法的進(jìn)步也使得Wolbachia的細(xì)胞培養(yǎng)更具可行性，通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)獲得含有Wolbachia的原代細(xì)胞后，有助于后續(xù)的研究工作(包括基因組測(cè)序等)。

迄今為止，Wolbachia的4種生殖調(diào)控方式都有相關(guān)的研究報(bào)道，也提出了一些相應(yīng)的理論假說(shuō)，但很多方面還不夠完善。近期有研究人員利用胞質(zhì)不親和作用結(jié)合昆蟲不育技術(shù)在田間試驗(yàn)并獲得成功，為Wolbachia的生殖調(diào)控作用及其可以成功應(yīng)用于生物防治提供了有利證據(jù)。隨著Wolbachia基因組、生殖調(diào)控作用關(guān)鍵功能基因以及Wolbachia與宿主間作用機(jī)制的研究進(jìn)一步展開，Wolbachia在生物防治及基因工程防治方面的應(yīng)用將成為未來(lái)的主要研究方向。今后，通過(guò)尋找Wolbachia生殖調(diào)控作用關(guān)鍵功能基因以及闡明Wolbachia與宿主間的作用機(jī)制，將會(huì)促進(jìn)農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)等相關(guān)研究領(lǐng)域的快速發(fā)展。