蚜虫初级内共生菌Buhcnera研究进展Word文件下载.docx

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qiaogx@）

AbstractEndosymbiosisofanimalswithbacteriaisalwaysahottopicinbiology.Studiesonendosymbiosisareimportantnotonlyforunderstandingthegrowthandreproductionofanimalhosts,butalsoforinvestigationoftheoriginandevolutionoflife.Aphidsharbourobligatoryendosymbioticbacteria,Buchneraaphidicola,whicharenutritionalanddevelopmentalindispensabletoaphids.Duetotheirobligateendosymbioticrelationship,aphids-Buchneraisagoodmodelforinvestigationmanysignificanttheoreticalissuesinsymbiosis.ThispaperreviewstheresearchtrendsofthebasiccharacteristicofBuchnera,evolutionaryrelationshipsbetweenaphids

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*资助项目：

本项目得到国家杰出青年基金（No.31025024），国家自然科学基金面上项目（No.31272348），公益性行业（农业）科研专项（201103022）和国家基金委动物学特殊学科点（No.J1210002）的资助。

**通讯作者，E-mail:

qiaogx@

收稿日期：

2013-

andBuchnera,therolesofBuchnerainsymbioticassociation,aswellasfunctionalgenomicsofBuchnera.Wethenhighlightsomescientificquestionsworthyofconcerninthefuture.

KeywordsEndosymbiosis,Primaryendosymbiont,Buchnera,Aphid,Genomics

蚜虫类隶属于半翅目Hemiptera，包括蚜科Aphididae、球蚜科Adelgidae和根瘤蚜科Phylloxeridae，世界现已知4700余种（Remaudiè

reandRemaudiè

re,1997;

Favret,2012），最早的蚜虫类祖先可以追溯到两亿三千万年前的中三叠纪（Hongetal.,2009）。

在漫长的进化过程中，该类昆虫与其体内共生菌建立了互利共生的关系（Buchner,1965）。

几乎所有蚜虫体内都存在一类专性共生的细菌Buchnera。

该菌隶属于变形菌门Proteobacteria、γ-变形菌纲Gammaproteobacteria、肠杆菌科Enterobacteriaceae的布赫纳氏属Buchnera，目前已知1种Buchneraaphidicola，并且只存在于蚜虫类腹部血腔的特化含菌胞（bacteriocyte）内（Untermanetal.,1989;

Munsonetal.,1991a）。

该菌能够提供宿主蚜虫所缺少的多种必需营养物质，对于维持蚜虫营养代谢和正常发育发挥重要作用（Buchner,1965;

DouglasandProsser,1992;

Baumannetal.,1995;

NakabachiandIshikawa,1997）。

Buchnera在亲代和子代之间母系垂直传递，并且离开宿主蚜虫不能独立存活（Buchner,1965;

Braendleetal.,2003）。

由于Buchnera在蚜虫中存在的普遍性以及二者之间的特殊关系，因此被称为蚜虫的初级内共生菌。

内共生关系一直是生物学关注的热点，对于了解共生菌对宿主昆虫的生长、繁殖、营养代谢以及传播植物病虫害等方面的影响具有重要意义，同时也可作为探讨生命起源、进化、细胞器形成等生命现象的重要研究模式。

蚜虫-Buchnera胞内专性共生的特性，使其成为研究内共生关系的理想模型。

近年来，随着分子生物学、基因组学的不断发展和应用，有关蚜虫初级内共生菌的研究日趋深入，本文将从蚜虫初级内共生菌Buchnera的基本特征、Buchnera与蚜虫进化关系、Buchnera在共生关系中的作用及Buchnera基因组学等方面对Buchnera研究现状进行综述，并对未来的研究热点进行展望。

1Buchnera的基本特征

1.1Buchnera的形态结构及分布

Buchnera细胞直径2-5μm，为球形或卵球形，细胞壁类似于革兰氏阴性细菌（Baumannetal.,1995）。

电镜下观察发现，Buchnera由三层膜包被，由里向外依次为：

细胞膜、细胞壁、内含体（symbiosomes）（GriffithandBeck,1974;

Houketal.,1977;

Baumannetal.,1995）。

在蚜虫整个生命周期中，Buchnera仅存在于体内特定的细胞，即菌胞中（GriffithsandBeck,1973）。

菌胞平均直径85μm，每个菌胞约含有23500个细菌，占细胞质体积的60%（BaumannandBaumann,1994）。

在胚胎和幼龄蚜虫体内，菌胞聚集在一起呈“V”形分布，位于肠道的侧面，组成含菌体（bacteriome）。

若蚜体内的含菌体由一层鞘细胞保护，待发育到成蚜卵巢管膨大时，保护层破裂，菌胞散布在蚜虫的腹腔中（HoukandGriffiths,1980;

Douglas,1998）。

前人的研究表明，根瘤蚜科中明显缺少内共生菌；

球蚜科中尚未发现Buchnera，但是存在β-变形菌纲（Vallotia属）和γ-变形菌纲（Profftia属，Gillettellia属，Ecksteinia属）的若干种共生菌，可能发挥了替代Buchnera及其他次级内共生菌的作用（Toenshoffetal.,2012）。

而在蚜科中，除了大蚜亚科Lachninae和瘿棉蚜亚科Pemphiginae的一些雄性蚜和不育雌性兵蚜中没有发现Buchnera，扁蚜亚科Hormaphidinae坚蚜族Cerataphidini中一些蚜虫由伴生的真菌代替了Buchnera以外，Buchnera广泛存在于各种类型蚜虫之中（Baumannetal，1995）。

1.2起源和传递途径

蚜虫和Buchnera间的内共生关系可能起源于一次单独的侵染事件，并至少形成于160-280mya（millionyearsago）（Munsonetal.,1991b;

Moranetal.,1993）。

Buchnera通过母系垂直传播的方式，由亲代的卵巢传给正在发育的卵或者胚胎。

随着该菌在蚜虫细胞内定居，二者逐渐形成了相互依存的关系（Baumannetal.,1995）。

但关于内共生菌释放和胚胎感染的机制目前还不清楚（Hinde,1971;

Buchner,1965）。

2Buchnera与蚜虫进化关系的研究

Buchnera与蚜虫进化关系的研究一直是内共生关系研究的重点。

前人基于少数蚜虫类群，通过构建蚜虫-Buchnera的系统发育关系，提出蚜虫-Buchnera平行演化假说（parallelismhypothesis）（Munsonetal.,1991b;

然而随着研究实例的不断增加，越来越多的证据显示当时的研究存在不足，并且在高级阶元（科级或亚科级）和低级阶元（属级及以下）水平上两者间的关系模式可能存在一定差别。

近年来，对Buchnera-蚜虫进化关系的研究，主要集中在对蚜虫低级阶元（属及以下）演化关系的探讨，研究对象仅局限于少数几个蚜虫类群。

Clark等（2000）选取了分布于北美和欧洲的指网管蚜属Uroleucon14个蚜虫物种，并分别基于蚜虫4个线粒体基因和1个核基因，内共生菌基因trpB（编码色氨酸合成酶β亚基）构建了蚜虫和相应的Buchnera系统发育树，经过拓扑结构比对和系统发育一致性检验，发现所得到的指网管蚜属系统树和Buchnera系统树严格对应，暗示两者具有平行分化关系。

Jousselin等（2009）对短尾蚜属Brachycaudus与其相应Buchnera的系统发育关系一致性进行探讨，结果表明具有内共生关系的双方具有严格的系统发育一致性。

近期，我们基于蚜虫的COI/Cytb/EF1α和Buchnera的16SrDNA/gnd（编码6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶）等基因序列，分别构建声毛管蚜属Mollitrichosiphum和相应的Buchnera分子系统树，两者系统树拓扑结构一致性检验也得到了一致性结果（Liuetal.,2013）。

鉴于低级阶元水平上蚜虫和Buchnera的对应关系，可以利用Buchnera的相关基因作为补充分子标记，解决有关宿主蚜虫DNA分类、分子系统发育以及种下不同地里种群分化等相关问题（Clarketal.,1999,2000;

Funketal.,2000;

MoranandDognan,2006;

Jouselinetal.,2009）。

为了检验种内水平上是否存在这种一致性，Funk等（2000）对指网管蚜属Uroleuconambrosiae不同种群个体及其Buchnera的分子系统树分别进行分析，最终验证了蚜虫-Buchnera种下水平上的平行演化关系。

研究还表明，由于Buchnera基因dnaN（编码DNA聚合酶III的β亚基）进化速率较快，约为线粒体基因COI/COII的两倍，因此可以尝试利用Buchnera基因进行蚜虫种群遗传学研究。

基于Buchnera基因组中的假基因和豌豆蚜中的微卫星标记，Peccoud等（2009）对豌豆蚜种团适应辐射发生的时间进行了估测，结果显示Buchnera与豌豆蚜分子标记所构建的系统树及其主要节点的分歧时间具有一致性，并发现豌豆蚜种团的最近共同祖先可能存在于8000-16000年前，并于3600-9500年间发生了基于寄主植物特化的快速辐射分化。

这一结果也暗示蚜虫和Buchnera在种群水平上具有系统发育一致性。

在高级阶元水平上，蚜虫与初级内共生菌进化关系的研究主要集中在2001年以前。

早期的一些研究基于较小取样量，对基于16SrDNA所构建Buchnera系统树与基于蚜虫形态特征（Heie,1987）或者分子标记（如，18SrDNA）所构建的蚜虫系统树进行比较发现，其拓扑结构完全对应，因而认为Buchnera基因组在宿主蚜虫中母系垂直传播并平行演化（Munsonetal.,1991b；

Moranetal.,1993；

Baumannetal.,1997）。

但是随着取样量的不断增加，建树方法的多样化，以及分子标记的不断扩充，越来越多的研究发现，Buchnera和其宿主蚜虫的拓扑结构并非总是一致，这对平行演化假说的准确性提出了一定的疑问。

基于多个分子标记（Buchnera16SrDNA和ATPβ，蚜虫F-ATPase-6），通过不同的建树方法（NJ，MP，ML），选取蚜虫6个亚科样品，Martì

nez-Torres等（2001）所构建的蚜虫和Buchnera系统树拓扑结构呈现一定的差异性。

近期，我们的研究基于15个蚜虫亚科39属48个蚜虫物种，选取Buchnera的gnd、16SrRNA、atpD基因构建了Buchnera系统树，并分别与前人基于形态学所构建蚜虫系统树（Heie,1987;

HeieandWegierek,2009）和基于分子标记所构建的蚜虫系统树（Ortiz-RivasandMartì

nez-Torres,2010）进行了比较。

结果发现：

Buchnera系统树与两种蚜虫系统树之间缺乏严格的对应关系，暗示平行演化假说存在一定的缺陷，并且随后进行的一致性检验也支持了我们的假设。

基于目前已有的研究，我们推测，在高级阶元水平上，蚜虫-Buchnera的平行分化现象可能是前期研究取样量较少、研究方法单一所造成的假象（Liuetal.,unpublisheddata）。

上述可见，在低级阶元水平上，蚜虫-Buchnera基本符合平行分化关系，即符合细胞质遗传的特点；

然而在高级阶元水平上，越来越多的证据显示二者间缺乏严格的对应关系。

尽管近期有研究推测，两者在高级阶元水平和低级阶元水平上系统发育格局存在的差异，可能与Buchnera基因组的进化速率以及横向转移有关（黄晓磊等,2011）。

然而，要真正客观的揭示二者的进化关系，解释存在这种演化格局差异的原因，仍需基于更多的分子标记，在扩大取样量的基础上，在更多蚜虫类群中进行深入探讨。

同时，基于Buchnera标记推测蚜虫进化历史，种群分化的普遍有效性也需要增加更多研究实例进行验证。

3Buchnera在共生关系中的作用

3.1Buchnera与蚜虫的营养代谢关系

蚜虫以吸食植物韧皮部汁液为食，然而这些汁液中常常缺乏很多维持蚜虫生长发育和正常代谢的营养物质，如其必需氨基酸的含量较低，常常低于氨基酸总浓度的20%（Brunsetal.,1991;

Douglas,1993;

Sandströ

mandMoran,1999）。

大量的营养、生理和基因组研究发现，蚜虫内共生菌可以提供给宿主蚜虫必需氨基酸、维生素等营养物质（NakabachiandIshikawa,1999）。

3.1.1提供必需氨基酸

利用含同位素的营养液饲喂，高温胁迫和抗生素等方法去除蚜虫体内的内共生菌等大量研究均证明，Buchnera的主要功能是为宿主蚜虫提供多种必需氨基酸（Douglas,1998;

ProsserandDouglas,1992;

Wilkinson,1998;

Wilkinsonetal.,2007;

Wilsonetal.,2010）。

Douglas（1996）利用抗生素去除豌豆蚜Acyrhosiphonpisum体内的Buchnera后，发现蚜虫胚胎仅能合成少量的苯丙氨酸和色氨酸，且胚胎无法正常发育。

但是，该研究只能间接证明Buchnera可以为蚜虫胚胎发育提供必需氨基酸。

Douglas等（2001）对Buchnera合成的营养产物进行定量分析，证明了由内共生菌合成的氨基酸对甜菜蚜Aphisfabae最终蛋白质的增长具有重要贡献，进一步证实了Buchnera可以为宿主蚜虫提供多种氨基酸。

但是，上述研究均未能解释清楚为什么蚜虫缺少Buchnera以后就不能正常生长发育以及Buchnera的具体合成调控途径等问题。

基因组学的不断发展，豌豆蚜全基因组以及越来越多的Buchnera全基因组测序的完成，为揭示Buchnera的功能提供了越来越多的直接的有力证据，并不断改变着人们已有的认知。

关于Buchnera为宿主蚜虫提供氨基酸的研究，Wilson等（2010）通过对豌豆蚜及其Buchnera的全基因组进行分析，发现亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸的基本合成通路是在内共生菌Buchnera中完成，但是最终的转氨过程则发生在蚜虫细胞中。

这一结果暗示了豌豆蚜和其Buchnera共同完成必需氨基酸的合成，并且宿主蚜虫有对其内共生菌的代谢进行精确调控的能力。

3.1.2提供维生素

有关蚜虫的营养学实验已经证实了蚜虫需要所有的B族维生素和维生素C（Daddetal.,1967）。

但由于子代可以从母代获得少量的维生素，因而只有将蚜虫饲养在缺乏维生素的饲料上，几代以后，才能表现出其对氨基酸的需要。

Nakabachi和Ishikawa（1999）分别向正常蚜虫和去除Buchnera蚜虫提供含有维生素B2的饲料，结果发现前者的生长发育受到影响，而后者的生长发育和生殖状况则得到明显改善。

这暗示了低龄若蚜中的Buchnera可以为宿主蚜虫提供维生素。

Moran和Degnan（2006）通过对豌豆蚜Buchnera全基因组分析，发现Buchnera中存在维生素合成通路。

但是，不同蚜虫类群，其体内共生菌的作用可能存在较大差异。

而目前，对Buchnera维生素合成的分析仅集中在豌豆蚜中，其他蚜虫类群的研究相对较少。

因此，选取不同类群的蚜虫内共生菌，综合生理学、免疫学、基因组和转录组学，探讨内共生菌维生素合成问题将成为未来研究的热点。

3.2提供能源

研究表明，内共生菌可以像线粒体一样，为其宿主昆虫提供能源（如ATP，NADH，NADPH等）（Lanham，1968）。

Walker等（1984）在麦二叉蚜Schizaphisgraminum体内的Buchnera的DNA片段中，发现了编码ATP合成酶Li-亚基（ATPD）基因，已知该酶可以利用Buchnera产生的质子势来合成ATP，这一发现意味着内共生菌可以为宿主蚜虫提供部分能源物质。

基于分子扩增的手段，Clark和Baumann（1997）直接获得了麦二叉蚜Buchnera中6.8kbATP合成酶编码基因，结果发现该片段的编码顺序为atpBEFHAGDC，与大肠杆菌Escherichiacoli以及其他原核生物类似，但是与线粒体、叶绿体不同。

该研究最终发现，Buchnera能够进行呼吸作用，并且为ATP的合成提供质子梯度。

Brinza等（2009）通过对Buchnera基因组属性、及其遗传和代谢网络图的分析发现，Buchnera中具有功能性ATP合酶F0F1体系，可以将ADP重新转换为ATP，这一结果为Buchnera可为宿主蚜虫供能提供了直接证据。

3.3参与宿主蚜虫嘌呤代谢

尿酸（尿酸盐），由碳、氢、氧、氮等元素组成，是昆虫体内嘌呤碱分解代谢的最终产物，可随蜕皮排出或由消化道排除。

大量的研究表明，蚜虫和其他昆虫的嘌呤代谢途径有很大不同，在蚜虫的组织、蜜露及其他复合排泄物中未均发现尿酸（Whiteheadetal.,1992;

SasakiandIshikawa,1993）。

由于蚜虫嘌呤代谢的特殊性，逐渐进入蚜虫学家所关注的研究视野。

基于生物信息学重建代谢网络，对Buchnera的代谢通量进行分析发现，Buchnera具有产生腺嘌呤的代谢网络，并可以将腺嘌呤供给蚜虫使用（Thomasetal.,2009）。

该研究一个有趣的发现是，豌豆蚜的腺嘌呤代谢基因比果蝇Drosophilamelanogaster少，但是这两类昆虫具有类似的嘧啶代谢相关基因。

Ramsey等（2010）通过对豌豆蚜和Buchnera的全基因中有关腺嘌呤代谢基因进行注释，对蚜虫-Buchnera腺嘌呤代谢进行了更加详细的解释。

他们的研究发现，在豌豆蚜中缺乏腺嘌呤核苷磷酸化酶、腺苷脱氢酶等腺嘌呤循环基因。

这暗示了蚜虫既不能实现核苷酸到腺苷的途径，也不能实现腺苷到次黄嘌呤核苷的代谢过程，即具有腺嘌呤补救途径缺陷（Shigenobuetal.,2000;

http:

//www.Buchnera.org）。

然而，蚜虫中缺乏的腺嘌呤可由专性共生菌Buchnera提供；

同时Buchnera通过蚜虫产生的鸟嘌呤来满足自身核苷酸的需求。

也正是由于存在Buchnera的这种核苷酸选择供应过程，才导致蚜虫腺嘌呤补救途径的缺陷。

3.4Buchnera的其他功能

Buchnera对宿主蚜虫还有一些非营养代谢功能，如Buchnera受宿主蚜虫体液pH值和渗透压的直接影响，同时又能够帮助宿主改变pH值及渗透压（Douglasetal.,2001）。

蚜虫内共生细菌对蚜茧蜂发育也具有重要影响（Pennacchioetal.,1999）。

研究表明，Buchnera可为蚜茧蜂生长发育提供营养。

当去除蚜虫的内共生细菌后，蚜虫体内的蚜茧蜂发育延迟，羽化的成蜂体重下降（Pennacchioetal，1999）。

此外，早期的研究证明，在Buchnera胞内可检测到很高浓度的groEL蛋白，该蛋白具有保护病毒在进入血腔的过程中免遭降解，促进蚜虫传播病毒的功能（VandenHeuvel，1994；

Ishikawaetal.,1985;

Baumannetal.,1996）。

然而，近期基于免疫细胞化学的方法，通过BuchneraGroEL蛋白对大麦黄矮病毒（luteovirusbarleyyellowdwarfvirusBYDV）传播的作用进行研究，虽然证实了GroEL仅存在于Buchnera细胞中，而非蚜虫血淋巴、脂肪体或者肠道中；

但是，该研究还发现由于游离GroEL会阻碍GroEL与病毒的相互作用，使得在体内GroEL不能与病毒粒子发生相互作用，结果导致GroEL不能促进病毒的传播（Bouvaineetal.,2011）。

因此，蚜虫体内共生菌Buchnera中GroEL是否能促进病毒传播还需要进一步验证。

另外，通过研究发现，GroEL还参与蛋白三级结构的折叠，较高浓度的GroEL蛋白可以将具有突变的Buchnera蛋白序列正确折叠，抵消掉由于该蛋白基因突变而产