昆虫共生微生物在病虫害和疾病控制上的应用前景

昆虫与微生物之间的互利共生关系是自然界中一种常见的互作形式。昆虫的种类丰富多样并且在自然界中分布广泛,在一定程度上得益于共生微生物的帮助。随着生物技术的不断发展,越来越多的共生微生物和互利共生模式得以发现并深入研究。微生物不仅能够为昆虫的生长发育提供营养,还能合成很多生物活性物质、调节宿主的免疫、对抗捕食者和抵御病原微生物感染,成为宿主昆虫健康和适应的守护者。鉴于共生微生物与昆虫生理生态的密切联系,以及昆虫对人类经济与健康的重要影响,利用共生微生物对昆虫及虫媒病进行生物控制已经成为一个热点研究方向,并展现了良好的应用前景。本文对昆虫共生微生物的多样性、生物学功能、与宿主相互作用机制及其在病虫害和虫媒病防治中的研究进展进行综述和展望。     

昆虫体外共生菌研究进展

昆虫体外共生菌是指能在体外与宿主发生互利共生关系的微生物。体外共生菌虽然不如肠道微生物那样普遍存在于昆虫中,但也在宿主生长发育过程中扮演着重要的角色。昆虫体外共生菌一般寄生于昆虫体表或体内特异器官(如储菌器),在特定时期转移到植物组织中。体外共生菌产生的挥发物能作为宿主定位寄主植物的信号物质,能为宿主提供生长发育所需的营养物质,还参与了宿主体外免疫。对昆虫体外共生菌的研究,不仅能进一步揭示昆虫与微生物之间的互作关系,丰富昆虫共生菌的研究,还能从共生菌的角度探索害虫引诱剂和昆虫免疫豁免机制。本文对昆虫体外共生菌寄生方式、传播途径、对宿主的影响等研究成果进行了综述,旨在为害虫综合防控提供新思路。     

昆虫共生微生物及其功能研究进展

昆虫体内共生微生物能够占到昆虫生物量的1%~10%,主要包括细菌、真菌、古菌和病毒。昆虫与共生微生物共进化形成共生体,共生微生物在昆虫生物学性状、多样性形成、生态适应性与抗逆性等多方面发挥着重要的作用。昆虫中的农作物害虫严重影响农业生产。本文对2000年以来农业害虫共生微生物的多样性、研究方法和功能机制、共生微生物之间的互作以及在害虫防控中的应用等方面的研究进展进行综述和展望。随着分子微生态学、宏基因组测序等先进研究方法的不断开发应用,对农业昆虫害虫共生微生物研究的广度和深度都有了突破。发现共生微生物主要通过以下方式影响宿主昆虫：(1)合成营养物质或产生消化酶促进宿主生长发育、拓展宿主生态位;(2)产生保护性代谢物直接保护宿主抵御胁迫,或通过调控寄主植物的防御反应间接地保护宿主;(3)产生活性物质调控宿主的生殖、交配、聚集和运动等行为。昆虫共生微生物的种类和数量在一定时空范围内维持动态变化并对宿主表型产生重要影响,是宿主、环境、共生微生物互作因素之间收益权衡的结果。因此建议进一步开展以下研究：影响共生体形成和维持的分子机制;在更多时空维度上研究共生微生物、宿主、寄主、天敌和环境之间的复杂相互作用;通过定向调控共生体设计绿色高效的害虫防治策略。     

鳞翅目昆虫内共生菌研究进展

内共生菌(endosymbionts)与其昆虫宿主的共生关系是普遍存在的，它们彼此相互依赖、相互影响、协同进化。近年来，关于昆虫内共生菌的研究多以半翅目(Hemiptera)和双翅目(Diptera)昆虫为主，但数量不断增加的研究表明鳞翅目(Lepidoptera)昆虫与其体内共生菌的互作模式和机制也正在受到越来越多的关注。鳞翅目昆虫种类多，分布广，主要作为植食者、传粉者在生态系统中发挥作用，而其绝大部分幼虫会对农林业生产造成巨大经济损失。鳞翅目昆虫体内共生菌群落多样性相对较低，主要以次生共生菌Wolbachia为主，少数也感染有Spiroplasma，Arsenophonus及Rickettsia。它们常呈严格的母系垂直传播，也会发生一定比例的水平传播，在宿主的生长发育、生殖调控、环境适应、遗传进化方面发挥重要作用。目前一般采用诊断性聚合酶链反应、高通量扩增子测序、宏基因组测序等方法检测内共生菌。但鳞翅目昆虫内共生菌研究领域存在一些难点，包括：大多数内共生菌无法离体培养；丰度较低的内共生菌的生物学功能难以确定。基于鳞翅目昆虫内共生菌的分布及该领域的难点，建议未来的研究重点应放在次生共生菌及其生物学功能上。     

昆虫内共生菌及其功能研究进展

昆虫内共生菌与宿主之间的互作关系已逐渐成为昆虫学的研究热点之一。昆虫内共生菌具有协助宿主营养代谢、 逃避天敌攻击和增强抗药性等功能： 通过协助宿主营养代谢, 提供食物中缺乏的营养物质来弥补食物中营养物质的不足; 分泌抗菌肽、 毒素等物质以增强对外源寄生物等的防御能力, 抑制对宿主的不利影响; 同时, 也可以增强宿主抗逆性, 调控植物生理反应, 抑制植物对宿主的不利影响; 利用对抗逆性基因精确的表达调控来增强宿主抗药性等。因此, 内共生菌介导的宿主生物学性状的改变, 扩大了宿主昆虫的生态位, 成为昆虫生长发育过程中的重要调控因子。目前, 昆虫内共生菌的功能往往是通过研究宿主感染共生菌前后性状的变化而证实。近几年, 转录组学、 蛋白质组学、 基因组学等技术的进步, 促进了内共生菌与宿主昆虫共生机制研究的发展。通过研究内共生菌及其功能基因在昆虫种群动态中的作用, 特别是内共生菌感染对宿主生殖、 存活、 适应环境能力的影响, 将有利于揭示内共生菌与宿主的共生机制, 并最终为开发新的防控技术提供理论依据。本文针对昆虫内共生菌的功能进行了综述, 并对日后的研究方向进行了展望, 提供了研究昆虫内共生菌与宿主互作关系的方法及建议。     

昆虫肠道微生物的研究进展和应用前景

昆虫肠道的独特结构和理化性质为多种多样的微生物定殖提供了特殊环境,肠道微生物的群落组成与宿主昆虫的生长发育、代谢繁殖等生命活动密切相关。种类丰富多样、生态位分布广泛的昆虫体内含有大量特化的肠道微生物群落,经过长期协同进化形成的共生关系具有多方面无可替代的优势。这种相对稳定的共生关系对昆虫整个生命周期具有极其重要的作用,肠道微生物不仅为宿主提供重要的营养物质、协助消化食物、提高宿主防御和解毒能力,还影响宿主昆虫的寿命、发育周期以及交配与繁殖能力等。同时,昆虫肠道微生物在农业、生态、医药以及能源环保等多个学科领域也显示出了巨大的应用前景。本文就昆虫肠道微生物群落的多样性、功能和影响肠道微生物生存因素,以及应用前景等方面进行综述,讨论了昆虫肠道微生物的最新研究进展。     

从细胞内共生到多尺度共生：回顾与展望

基于共生概念的历史变化,目前人们普遍接受了广义共生概念。即共生是包含互利共生（mutualism）、偏利共生（commensalism）和拮抗/寄生（antagonism/parasitism）的共生连续体。本文简述了近20年间,全球9次国际共生学术大会取得的重要成果,对细胞内共生、时间、空间以及多种互作尺度共生关系的研究利用进展进行了评述。同时展望了一些活跃共生领域的研究概况,如共生失调 （dysbiosis）、植物-微生物-昆虫三角共生关系（plant-microbe-insect triangle）、细菌-真菌互作（bacterial- fungal interaction,BFI）、菌根菌-真菌内生细菌-植物多方共生联盟（multipartite symbiosis consortium）以及与共生相关微生物组的集合群落（metacommunity）研究及应用等。共生（symbiosis）正成为当代生物学的核心原则,正以一种与更宏大系统方法相一致的概念,从根本上改变了传统上的一些生物学概念,如孤立性的个体（individuality）概念。基因组测序和高通量RNA技术分析揭示,动、植物与共生微生物的重要互作,打破了迄今为止生物个体的特征边界,挑战了这些学科的定义;共生不仅是一对一的互利共生关系,共生实际是多种共生模式的连续共生体。此外,植物-昆虫-微生物互作的三角关系;菌根-真菌-真菌内生细菌-植物的多方联盟等新关系的发现,更把生命科学推向了快速发展的方向。这些科学进展不仅对生物科学的遗传学、免疫学、进化、发育、解剖学和生理学的研究至关重要,拓宽了新的视野,而且对农业中生物制剂研发,人类微生物组的管理及调控,以及对发酵食品及工业微生物生产的设计和管理将产生积极影响。     

昆虫肠道微生物及其功能研究方法进展

昆虫是世界上种类最为丰富、分布最为广泛的动物类群，其肠道内栖息着复杂且多样的微生物。不同昆虫因肠道结构、肠道内环境、食性、龄期、外界环境不同，肠道内微生物组成与丰度也存在差异。肠道微生物主要通过垂直方向与水平方向在种群与个体间传播，对昆虫宿主营养代谢、生理行为、防御、解毒等诸多方面有重要影响；通过体外培养的方法可从培养基对昆虫肠道微生物进行分离，用基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry, MALDI-TOF MS)及16S rRNA基因测序技术等可迅速鉴定微生物；宏基因组学、蛋白质组学、代谢组学等多种组学技术联合运用，使得肠道微生物鉴定与功能推测更为高效；体外试验、微生物补充、菌群移植、沉默微生物成员相关基因等试验方法使微生物功能验证更为准确；利用高温处理、溶菌酶处理、无菌饲养处理及抗生素处理等方式能清除肠道内的微生物群落，获得无菌昆虫用于功能验证试验，但当前使用最广的抗生素法在实际应用中仍存在一定局限；利用肠道微生物特性，通过共生菌基因工...     

模式动物在共生微生物研究中的作用

共生微生物是一类定殖于宿主体表或体内, 可执行宿主本身无法完成的功能, 并依赖于宿主所提供的生长环境的微生物。众多研究表明, 人体肠道共生微生物与免疫、营养、代谢, 甚至精神健康等生理功能密切相关, 是重要的“微生物器官”。在早期的肠道微生物研究中, 模式动物就已经作为研究工具被使用。随着肠道微生物研究的不断深入, 模式动物作为不可替代的研究对象发挥了越来越重要的作用。本综述主要对几种重要的模式动物如斑马鱼(Danio rerio)、小鼠(Mus musculus)、猪(Sus scrofa domesticus)和猕猴(Macaca mulatta)在肠道微生物研究中的应用进行了总结, 介绍了各种模式动物的发展过程及特点, 各自在应用于研究时的优缺点, 以及利用这些动物模型在共生微生物领域所取得的一些标志性的科研成果。同时, 也就近年来在共生微生物领域新兴的一些模式生物如蜜蜂(Apis)、果蝇(Drosophila)、秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)等进行了一些探讨。旨在让该领域的研究者们了解模式动物与人体在共生微生物方面的异同, 为更好地利用这一研究工具提供参考。     

昆虫肠道菌群的功能研究进展

昆虫肠道为某些微生物提供了一个特定的定殖环境,这些肠道菌群也为其宿主提供了很多潜在的有益作用。因而昆虫在一定范围和程度上表现出对肠道菌群的依赖并形成一种互惠互利的共生关系。近年来,随着高通量测序技术的广泛应用,促进了肠道菌群及其功能基因的研究。也为进一步了解如何区分非致病性菌(共生菌)和致病菌(病原菌)的致病机理、调控昆虫肠道菌并用来防治害虫或保护授粉昆虫在内的有益昆虫奠定了基础。本文概述了昆虫肠道菌群定殖环境、起源和进化以及传播方式,综述了近年来昆虫肠道菌群功能研究的最新进展,并对今后昆虫肠道菌群的研究方向进行了展望。     

昆虫专性内共生细菌及其基因组研究进展

昆虫专性内共生细菌是一类与宿主昆虫长期协同进化的共生微生物,在许多昆虫体内均有发现,主要存在于昆虫特化的器官(含菌体)内,以垂直传播的方式由母系遗传。专性内共生细菌与昆虫的生存、繁殖以及进化等方面息息相关,其主要功能是为宿主提供必需氨基酸等营养物质。因其长期生活在宿主细胞内处于封闭的高营养的环境中,其基因组的特征与普通细菌基因组有很大区别,包括基因组大小、GC含量、基因缺失等方面。通过对共生细菌基因水平上的深入研究,有助于理解专性内共生细菌在宿主昆虫协同进化过程中的作用。目前,昆虫内共生细菌基因的生物学功能、内共生细菌之间以及内共生细菌与宿主之间的互作机制还不是很清楚,有待进一步的研究和探索。     

昆虫完全变态发育与其共生微生物之间的相互影响

完全变态昆虫在发育过程中要经过卵、幼虫、蛹和成虫四个阶段,它们在幼虫和成虫阶段形态构造和生活习性明显不同,这一现象被称为适应性解耦,使幼虫和成虫能够更独立地完成不同的任务,各自获得更高的效率,这对完全变态昆虫有巨大的生态和进化意义。然而这种发育方式为完全变态昆虫与微生物建立稳定的共生关系带来了巨大的挑战。它们在变态过程中身体结构的重塑、饮食习惯的改变等使微生物居住的栖息地发生彻底转变,微生物在昆虫宿主个体不同发育阶段和不同个体代际之间的垂直传递也受到了限制。为了高保真地维持稳定的共生关系,部分完全变态昆虫和共生微生物进化出多样的严格垂直传递或者规避完全变态发育的传递方式。也有部分完全变态昆虫趁此机会实现与共生微生物的关系解绑,与新的微生物建立联系,呈现出在不同生命阶段共生微生物的动态变化。此外,昆虫变态发育还直接受到共生微生物的影响,微生物能保护宿主在变态发育中最脆弱的阶段免受病原体感染,为变态发育提供必需的营养物质和促进变态发育的因子。因此,本综述将总结和深入探究昆虫完全变态发育与其共生微生物之间的相互影响。     

微生物组学研究的“淘金时代”

人体及动物肠道中生存着数量庞大的共生微生物;这些微生物无时无刻不参与着宿主的生命活动。揭示这些共生微生物在宿主体内的变化规律、与宿主之间的依存和博弈关系等,将使人类更加全面的认知高等生物体的生命本质。本专刊从肠道微生物与疾病、肠道微生物群落结构、肠道微生物与宿主互作、肠道微生物资源和肠道微生物研究方法 5个层面展示了我国科研工作者在肠道微生物研究领域的新进展及新观点。     

肠道共生微生物脂质代谢物的黏膜免疫调节功能与机制

机体的肠道黏膜表面存在着大量与宿主免疫系统互作的共生微生物,其所编码的代谢通路可产生多种具有免疫调节活性的小分子物质。膳食脂肪可经脂解作用形成游离脂肪酸,并在肠道胆汁酸的协助下作为必需营养元素被机体所吸收利用。与此同时,肠道共生微生物既可将宿主来源的胆汁酸转化为多种脱结合胆汁酸或次级胆汁酸,也可将部分膳食来源的长链不饱和脂肪酸代谢为多种异构衍生物。目前,关于肠道共生微生物介导的脂质代谢网络调控宿主黏膜免疫系统发育、成熟与功能的研究方兴未艾。结合该实验室的相关研究,该文将对共生微生物脂质代谢物与肠道黏膜免疫互作机制的前沿进展进行综述与讨论。     

微生物对昆虫行为的影响研究进展

在漫长的进化过程中,微生物与昆虫形成了多种形式的互作关系。微生物的广泛分布为与昆虫接触并影响昆虫的行为提供了背景条件。为了深入探究微生物影响昆虫行为的现象和机制,本文综述了微生物影响昆虫行为方面的研究进展。微生物通过产生可被昆虫识别的化学信号物质、参与昆虫或寄主植物信息化合物的合成等方式可影响昆虫对其寄主的定位和选择。在对昆虫种内和种间关系的研究中也发现微生物起着非常重要的作用。通过改变昆虫性信息素等方式,微生物还能影响到昆虫的繁殖行为;除此之外,微生物合成或参与合成的信息化合物还可以影响昆虫的社会性和聚集等行为。根据当前对微生物影响昆虫行为方面的研究现状,我们建议可进一步研究：(1)微生物影响昆虫行为的过程中,影响昆虫行为的信息化合物是如何产生的？(2)微生物在影响昆虫行为的过程中是否涉及更多的物种间互作？(3)对于一些在特定时期可影响昆虫行为的共生微生物来说,宿主昆虫是如何获得并维持这些微生物的？     

在细胞微生物中发现最短的染色体

日本、西班牙联合研究小组发现生活于木虱科昆虫（以吸食植物汁液为生）体内的“共生菌”，其名称叫Carsonella raddii，实际上它不是真正的共生，而是一种寄生菌，其染色体（基因组）只有160kb（16万碱基对）之长，曾把最小的基因组定为400kb左右，并认为没有“废DNA”，而新发现的craddii也许是进化成昆虫细胞内的一个细胞器，成为该昆虫细胞的组成部分或补偿细胞缺失的基因功能，认为该菌属于蛋白质细菌类（Proteobacteria），寄生于宿主细胞内营寄生生活；另一种“寄生”细胞内的共生菌，     

果蝇肠道共生菌对宿主作用的研究进展

肠道共生菌是动物体内的重要组成部分,在宿主的生长发育和健康等方面发挥着重要作用,近年来已成为国内外的研究热点。果蝇作为研究肠道微生物菌群功能的优秀模型,在肠道共生菌与宿主关系研究方面已取得许多重要进展。在本文中,我们首先对果蝇肠道微生物的组成和特征作了总结,然后对果蝇肠道共生菌在其生长发育、营养与代谢、行为反应、寿命以及免疫与疾病方面的作用进行了综述,以期为研究人类肠道共生菌功能和肠道健康提供一定理论依据和新的思路。     

植物微生物组生态功能与群落构建过程研究进展

植物各个器官表面及内部定殖着高度多样化的微生物群落,这些微生物与植物长期共进化,作为宿主植物的“共生功能体”(holobiont)在植物生长发育、养分吸收、病害抵御和环境胁迫适应性等方面发挥了重要作用。得益于近10年来多组学技术的发展和应用,有关植物微生物群落的多样性、组成和功能特征、群落构建的驱动因素和植物–微生物互作机制等方面研究取得了一系列重要进展。然而,与土壤微生物组相比,目前对植物微生物组的认识及其应用尚且不足。本文系统总结了植物微生物组的组成特征,植物微生物在调节植物生长发育、促进养分吸收、提高病害抵御能力及环境胁迫适应性等方面的功能及作用机制,从宿主选择、环境因子以及生物互作3个方面总结了驱动植物微生物群落构建的因素,并着重阐述了植物–微生物互作如何塑造植物微生物群落以及如何调节对植物的有益功能。此外,我们对未来植物微生物组研究和应用面临的挑战进行了展望,如核心微生物组挖掘和合成群落构建,植物–微生物互作的分子调控机制,植物微生物群落水平上的互作机制等。深入理解植物微生物群落特征、生态功能以及构建过程对于精准调控植物微生物组以提高植物适应性和生产力以及维持生态系统健康具有...     

纤毛虫与藻类共生关系的研究现状与展望

纤毛虫与藻类的共生关系在水体环境中广泛存在并有着重要的生态功能。文章回顾了国内外纤毛虫与藻类共生研究的发展历程,主要介绍了纤毛虫与藻类共生的生态功能,以及显微观察与分子生物学技术在纤毛虫与藻类共生研究中的应用;阐述了包括草履虫与小球藻共生关系建立的4个过程及其互作机制、红色中缢虫与隐藻的共生关系、宿主与共生体之间的互作等内容;提出了纤毛虫与藻类共生研究中亟待解决的科学问题,包括草履虫食物泡膜(digestive vacuole, DV)与围藻膜(perialgal vacuole, PV)发挥作用的分子机制、红色中缢虫与隐藻共生关系的建立过程、红色中缢虫在共生过程中的功能作用等,并展望未来的研究方向。     

共生菌与昆虫的免疫

共生菌可通过产生抗菌物质、调控宿主免疫相关基因和微生物种间竞争作用等方式保护昆虫宿主免受病原体的侵染。为维持共生关系,昆虫进化出精细的调控机制避免对共生菌的过激免疫应答,共生菌通过免疫识别信号多态性或化学拟态来降低或躲避宿主免疫系统对自身的伤害。本文在分析共生菌对宿主免疫的功能及其机制的基础上,探讨宿主对免疫应答的精准调控以及共生体系的协同进化,以期为共生菌对宿主免疫影响的深入研究提供参考。