共生菌Wolbachia、Cardinium與宿主葉螨的相互作用研究.pdf

1、無脊椎動物中常常存在著一些共生細菌。近年來，一些與生殖有關(guān)的共生菌引起了研究者的廣泛關(guān)注。目前研究最多的一種共生菌是Wolbachia。它廣泛存在于節(jié)肢動物體內(nèi)，并能夠通過多種方式調(diào)節(jié)宿主的生殖。包括雌性化(feminization)、孤雌生殖(parthenogenesis inducing,PI)、胞質(zhì)不親和（cytoplasmic incompatibility,CI）以及殺雄(male-killing，MK)。最近的一些研究表明

2、，有些株系的Wolbachia參與宿主卵子發(fā)生過程，也有些株系的Wolbachia與宿主建立了營養(yǎng)共生的關(guān)系。Wolbachia的這些調(diào)控作用使得其雌性宿主獲得生存優(yōu)勢，從而保證了其自身在宿主種群中的穩(wěn)定存在和快速擴散。
　　Cardinium與Wolbachia類似，是另一種廣泛存在于節(jié)肢動物體內(nèi)的與生殖有關(guān)的共生菌。Cardinium對宿主的生殖調(diào)控方式與Wolbachia也極為相似。包括胞質(zhì)不親和(CI)、孤雌生殖以及雌性化

3、。但是，目前尚未發(fā)現(xiàn)引起殺雄作用的Cardinium。自然界中，宿主同時感染多種共生菌的現(xiàn)象較為常見。據(jù)報道，13.6％的葉螨體內(nèi)同時感染了Wolbachia和Cardinium。
　　本文以三種葉螨（二斑葉螨、截形葉螨、豆葉螨）為實驗材料，深入研究了共生菌Wolbachia、Cardinium與宿主葉螨的相互作用關(guān)系。包括共生菌在葉螨體內(nèi)的定位、共生菌對葉螨的影響、葉螨交配類型對共生菌的影響，并探索了Wolbachia在遠緣宿主

4、間的人工轉(zhuǎn)染。進一步明確了共生菌與葉螨的相互關(guān)系，揭示了共生菌對葉螨生殖以及適合度影響的規(guī)律，并對利用共生菌來有效控制葉螨和其他害蟲的危害提供了理論依據(jù)。
　　之前的研究已經(jīng)初步證明了Wolbachia能夠?qū)θ~螨產(chǎn)生生殖調(diào)控作用。為了進一步揭示生殖調(diào)控作用的機理，我們以二斑葉螨為材料，利用熒光原位雜交技術(shù)(fluorescence in situ hybridization，F(xiàn).I.S.H)，對Wolbachia在二斑葉螨的卵以及

5、雌雄成螨中的分布進行了定位。結(jié)果顯示，在二斑葉螨的雌螨中，Wolbachia主要存在于生殖組織以及顎體部位。而在雄螨的整個腹部均有Wolbachia的分布，但絕大部分集中分布與生殖組織以及顎體部位。當雌螨體內(nèi)胚胎形成時，體內(nèi)大部分Wolbachia移入胚胎內(nèi)，并隨著雌螨產(chǎn)卵而成功入侵到后代中。用直觀的方式顯示了Wolbachia母系遺傳的特性。我們也對正在產(chǎn)卵的雌螨進行了Wolbachia的定位。結(jié)果顯示，體內(nèi)的大部分Wolbachia

6、隨卵而產(chǎn)出體外。在葉螨的卵中，當卵齡為24小時時，Wolbachia呈均勻分散的狀態(tài)。然而隨著卵內(nèi)細胞的分化，當卵齡為72小時時，Wolbachia開始向卵的一端集中。根據(jù)成螨中的定位結(jié)果，我們推測，這一端將發(fā)育為成螨的生殖組織。根據(jù)定位結(jié)果以及前人的研究，我們推測，Wolbachia對葉螨的生殖調(diào)控作用可能是其參與生殖細胞的一些代謝活動的結(jié)果。另一方面，宿主的生殖細胞代謝可能對Wolbachia有一定的影響。在此基礎(chǔ)上，我們展開了以下

7、的研究。
　　盡管共生菌對宿主的影響已經(jīng)有了較全面的研究，但宿主對共生菌有影響卻少有報道。為了研究宿主對共生菌的影響，我們分別選用了單感染W(wǎng)olbachia的二斑葉螨（Tetranycus urticae Koch）和雙感染W(wǎng)olbachia和Cardinium的截形葉螨（Tetranychus truncates Ehara）展開了研究。比較了不同交配類型的雌雄螨體內(nèi)細菌濃度的變化情況。結(jié)果顯示，葉螨交配類型能夠顯著影響兩種共生

8、菌的密度變化。在單感染W(wǎng)olbachia的二斑葉螨中，我們發(fā)現(xiàn)，對于感染的葉螨來說，與感染者交配比與不感染者交配更有利于其體內(nèi)Wolbachia的復(fù)制。而在雙感染W(wǎng)olbachia和Cardinium的截形葉螨中，我們發(fā)現(xiàn)與不感染的葉螨交配有利于雙感染者體內(nèi)Wolbachia和Cardinium的增殖。另外，為了全面了解共生菌與宿主的互作關(guān)系，我們也評估了兩種共生菌對二斑葉螨和截形葉螨的生殖以及適合度的影響。結(jié)果顯示，在二斑葉螨中，Wo

9、lbachia能夠引起較強的CI。在雙感染的截形葉螨中，Wolbachia和Cardinium同樣能夠引起CI作用。在適合度方面，兩種共生菌對兩種葉螨的壽命沒有顯著的影響，但是卻顯著提高了兩種葉螨的產(chǎn)卵量。
　　葉螨中的共生菌單感染以及雙感染現(xiàn)象是比較常見的。在本研究中，我們首次發(fā)現(xiàn)了一種復(fù)雜的多感染現(xiàn)象。在同一豆葉螨（Tetranychus phaselus Ehara）個體中同時感染了兩種株系的Wolbachia（wOri和w

10、Con）和一種株系的Cardinium。另外，在同一種群中也存在著wCon和Cardinium雙感染的個體和不感染個體。三種品系的雜交結(jié)果顯示，wOri不能引起CI作用，而多感染（wOri，wCon和Cardinium）和雙感染（wCon和Cardinium）均能引起CI。經(jīng)過對三種細菌的定量，我們發(fā)現(xiàn)wOri不能引起CI是因為它在雄螨中的拷貝數(shù)非常低所導(dǎo)致的。然而，前人的研究表明，對于Wolbachia來說，它在種群中能夠穩(wěn)定存在并迅

11、速擴散的主要動力是CI。為了揭示非CI、低拷貝的wOri在該豆葉螨種群中的擴散動力，我們分別比較了不同感染類型的雌螨的壽命。同時也比較了不同交配類型的不感染雌螨的壽命。經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)，wOri能夠顯著延長其雌性宿主的壽命。這就延長了wOri在雌性宿主體內(nèi)存在的時間，從而能夠被遺傳給更多的后代。另外，當不感染雌螨與感染wOri的雄螨交配后，雌螨的壽命急劇縮短。這就強烈抑制了不感染種群的擴張。根據(jù)這一結(jié)果，我們推測，wOri通過延長雌性

12、宿主壽命和抑制不感染雌性個體的壽命來實現(xiàn)自身在種群中的擴散。這也是目前發(fā)現(xiàn)的Wolbachia擴散的又一新動力。
　　然而，在自然種群中，我們沒有發(fā)現(xiàn)單感染wOri的個體。wOri始終是與wCon、Cardinium同時存在著。那么wOri與wCon、Cardinium之間存在著怎樣的相互關(guān)系呢？我們比較了多感染雌螨以及雙感染雌螨體內(nèi)wCon和Cardinium的密度。結(jié)果顯示，wOri的存在促進了wCon和Cardinium的擴

13、增。綜合以上的結(jié)果，我們認為，wOri與wCon、Cardinium之間存在互利的關(guān)系。一方面，wOri分享了wCon和Cardinium共同引起的強烈的CI作用。有利于wOri在葉螨種群中的穩(wěn)定存在和擴散。另一方面，wOri促進了wCon和Cardinium在雌螨體內(nèi)的擴增，同樣有利于它們在葉螨種群中的擴散，并提高了二者的感染密度。
　　Wolbachia的人工轉(zhuǎn)染技術(shù)是目前用來研究Wolbachia與宿主互作關(guān)系以及評估Wol

14、bachia生防潛在價值的重要方式。近年來，隨著這一技術(shù)的不斷成熟，研究者發(fā)現(xiàn)Wolbachia在防治媒介昆蟲中具有重要的應(yīng)用價值。研究者將果蠅中的Wolbachia人工轉(zhuǎn)染進蚊子體內(nèi)后，發(fā)現(xiàn)蚊子對許多病原物產(chǎn)生了抗性，從而阻斷了以蚊子為傳播媒介的病原物向人類的傳播。在此基礎(chǔ)上，我們嘗試將灰飛虱體感染的引起完全CI（不感染雌蟲與感染雄蟲交配后，后代孵化率為零）的Wolbachia轉(zhuǎn)染到豆葉螨體內(nèi)，研究了Wolbachia與新宿主葉螨的互

15、作關(guān)系，以評估其生防應(yīng)用價值。在研究中，我們采用過濾、離心的方法將灰飛虱體內(nèi)的Wolbachia純化分離出來，然后通過顯微注射的方法注射進豆葉螨的雌螨體內(nèi)。經(jīng)過多世代的跟蹤檢測，我們發(fā)現(xiàn)，外源Wolbachia在豆葉螨中的感染率呈現(xiàn)先上升后逐漸下降的趨勢。另外，我們比較了外源Wolbachia和自然感染的Wolbachia對豆葉螨的生殖以及適合度的影響。結(jié)果顯示，兩種品系的Wolbachia為同一宿主帶來了不同的影響。首先，自然感染的W

16、olbachia能夠引起豆葉螨的胞質(zhì)不親和CI，然而外源Wolbachia對豆葉螨的生殖卻沒有顯著的影響。第二，兩種株系的Wolbachia對豆葉螨的壽命均無顯著的影響。第三，自然感染的Wolbachia能夠顯著促進雌螨產(chǎn)卵，而外源Wolbachia卻強烈抑制了豆葉螨產(chǎn)卵。第四，定量結(jié)果顯示，外源Wolbachia的拷貝數(shù)顯著低于自然感染W(wǎng)olbachia的拷貝數(shù)。通過以上結(jié)果，我們認為灰飛虱感染的Wolbachia在短時間內(nèi)沒有完全適