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昆虫共生细菌 Wolbachia 的 研究与应用

昆虫共生细菌 Wolbachia 的 研究与应用. 古 德 祥. 沃尔巴克氏 ( Wolbachia ) 是一类广泛分布于节肢动物生殖组织内的共生细菌。自然界中约 16% 的昆虫物种受其感染 (Werren ， 1997) 。这类细菌能引发宿主多种生殖异常行为，如甲壳动物中雄性基因型个体的 雌性化 (feminization) 。胡蜂类昆虫 孤雌生殖 (parthenogenesis) ，而常见的一种是 胞质不相容性 (Cytoplasmic Incompatibility,CI) 由于 Wolbachia 在生物防治和遗传工程领域的潜在用途，近处来迅速成为国际生物学研究的热点。.

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昆虫共生细菌 Wolbachia 的 研究与应用

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Presentation Transcript

  1. 昆虫共生细菌Wolbachia的研究与应用 古 德 祥

  2. 沃尔巴克氏(Wolbachia)是一类广泛分布于节肢动物生殖组织内的共生细菌。自然界中约16%的昆虫物种受其感染(Werren，1997)。这类细菌能引发宿主多种生殖异常行为，如甲壳动物中雄性基因型个体的雌性化(feminization)。胡蜂类昆虫孤雌生殖(parthenogenesis)，而常见的一种是胞质不相容性(Cytoplasmic Incompatibility,CI) • 由于Wolbachia在生物防治和遗传工程领域的潜在用途，近处来迅速成为国际生物学研究的热点。

  3. Wolbachia的研究历史 • 1924年Hertig和Wolbach在尖音库蚊Culex pipiens的生殖组织内首次发现细胞内细菌，并将此命名为Wolbachia pipientis • 1950年，Ghelelovitch和Laven发现尖音库蚊种内交配是不亲和的，因为它们很少产生或不产生后代。随后，Laven证明这种不亲和因素具有细胞质遗传特性(雌性遗传)，继而把这种现象命名为细胞质不亲和(Cytoplasmic Incompatibility,CI)

  4. 1970年初，当Yen 和Barr (1971)通过抗生素处理消除Wolbachia后，发现感染菌株的雄性与感染同一菌株用抗生素处理过的雌性是不亲和的，但反交是亲和的(单向不亲和)，这才证实CI是跟细菌存在有关。随后的25年间，在许多昆虫内都发现了CI现象，包括赤拟谷盗、苜蓿叶象甲、寄生蜂、飞虱、 地中海粉螟、伊蚊和果蝇。 • 最典型的CI现象是株系间杂交后代数目会减少，并且在随后的交配中会出现细胞质遗传。大量的事例已从微观上证实了细菌存在于昆虫卵巢或睾丸内，并可通过抗生素或高温（﹥30℃可使该菌失活）处理将其除去。

  5. 1987年Legrand和他的同事们在等足目动物的生殖组织中发现了诱导雌性化（feminization）的细胞质遗传因素。1990年Stouthamer等发现赤眼蜂某株系的孤雌生殖能够通过抗生素处理消除，即抗生素处理后的株系能恢复雄性生殖。1987年Legrand和他的同事们在等足目动物的生殖组织中发现了诱导雌性化（feminization）的细胞质遗传因素。1990年Stouthamer等发现赤眼蜂某株系的孤雌生殖能够通过抗生素处理消除，即抗生素处理后的株系能恢复雄性生殖。 • 现今用ftsZ（细胞分裂基因）、16S rDNA、Wsp（外膜蛋白基因）设计的特异性引物进行PCR，已证明细胞质不亲和细菌、诱导孤雌生殖（ Parthenogensis Induction, PI）细菌和等足目动物雌性化细菌共同组成了一类家族----Wolbachia

  6. Wolbachia的研究具有重要的理论和实践意义： • 首先，利用Wolbachia在寄主上的广泛分布和影响，对于研究一些重要的进化进程，尤其是快速物种的形成机制具有重要价值； • 可利用Wolbachia改变寄主早期发育和有丝分裂进程的特点来研究这些基础进程； • 作为一种“微生物天敌”，Wolbachia可用来加强天敌的生殖率，或者作为一种媒介在昆虫种群中传播人为改变的遗传特征，达到生物防治的目的。如利用Wolbachia诱导寄生蜂进行产雌孤雌生殖，这对寄生蜂工厂化生产过程中成本的降低和生防效能的提高，具有重要意义。

  7. 表 Wolbachia在拟寄生物种类间的盛行率

  8. Wolbachia诱导孤雌生殖（PI）的种类 • 蚜小蜂科Aphelinidae Aphytis chilensis Aphytis chrysomphae Aphytis diaspidis Aphytis lingnanensis Encarsia formosa • 跳小蜂科Encyrtidae Apoanagyrus diversicornis ? • 金小蜂科Pteromalidae Muscidifurax uniraptor • 赤眼蜂科 Trichogrammatidae Trichogramma brevicapillum Trichogramma chilonis Trichogramma cordubensis Trichogramma deion Trichogramma nr.deion

  9. 赤眼蜂科 Trichogrammatidae Trichogramma embryophagum T. evanescens T. kaykai T. nubilale T. oleae T. platneri T. pretiosum T. nr. Pretiosum T. siberocum T. nr. sivercum

  10. 瘿蜂科Cynipidae Diplolepis rosae Diplolepis spinosissimae ? • 隆脊瘿蜂科Eucoilidae Leptopilina australis Leptopilina clavipes

  11. Wolbachia 细胞不亲和作用(CI)的种类 • 金小蜂科Pteromalidae Nasonia giraulti N. longicornis N. vitripennis • 隆脊瘿蜂科 Eucoilidae Leptopilina heterotoma • 茧蜂科 Braconidae Asobara tabida • 姬蜂科 Ichneumonidae Diadegma chrysostictos Venturia canescens • 细蜂科 Proctotrupoidae Trichopria drosophilae

  12. 诱导Wolbachia细胞不亲和（CI）是精子和卵间的生殖不亲和。CI有两种形式：单向不亲和与双向不亲和。当感染Wolbachia的精子与未感染的卵细胞进行受精时，会发生单向不亲和，但未感染的雄性与感染的雌性的正反交都是亲和的；当雄性和雌性含有互相不亲和的不同Wolbachia株系时，就会发生双向不亲和。不亲和会很少产生或不产生后代。诱导Wolbachia细胞不亲和（CI）是精子和卵间的生殖不亲和。CI有两种形式：单向不亲和与双向不亲和。当感染Wolbachia的精子与未感染的卵细胞进行受精时，会发生单向不亲和，但未感染的雄性与感染的雌性的正反交都是亲和的；当雄性和雌性含有互相不亲和的不同Wolbachia株系时，就会发生双向不亲和。不亲和会很少产生或不产生后代。

  13. 表 不同地区灰飞虱的交配实验结果 （甘波谊，2002）

  14. 续表 不同地区灰飞虱的交配实验结果 （甘波谊，2002）

  15. 续表 不同地区灰飞虱的交配实验结果（甘波谊，2002）

  16. 诱导孤雌生殖（parthenogenesis inducing） • 目前普遍认为，产雌孤雌生殖方式主要有以下两方面的原因：减数分裂驱动(meiotic drive)和共生微生物引起的细胞质性比偏离因子(cytoplasmic sex ratio distorers)。引起寄生蜂产雌孤雌生殖的微生物主要有细菌、病毒、原生动物，尤其是细菌Wolbachia，它广泛存在于昆虫中。该菌使第一次有丝分裂过程中的染色体不分离，形成二倍体卵，发育成雌性子代。抗生素和高温处理可使该菌失活，从而使未交配的雌性蜂复行产雄孤雌生殖；细胞学和分子生物学方法可以准确地检测该菌的存在。

  17. 雌性化（feminization） • 诱导雌性化的Wolbachia主要发现于甲壳纲等足目的动物中。最佳例子是鼠妇（Armadillidium vulgare）。它的雌性化性别决定，受雌性化寄生性别因子（feminizing parasitic sex factors，PSF）控制，其中有一个PSF为Wolbachia细菌（简称为F）；另外其它所有因子（简称f），是随机整合进入基因组的F- Wolbachia的DNA。鼠妇大多数的野生种群都带的PSF，所有的个体从原则上都是遗传雄性（zz），只有当PSF存在并制服（override）Z染色体携带的雄性决定子时，才产生雌性子代（因而新雌性子代一般为zz+F或zz+f）。

  18. Wolbachiar 的多样性与系统发育 • 1988年Stackebrand等对来自尖音库蚊组织的Wolbachia pipientis的序列分析后认为， W. pipientis属于蛋白细菌的α-亚门（图）。这个亚门包括大多数的紫色非硫光合菌和许多真核生物细胞内的非光合内共生体。 W. pipientis最近的亲属是Anaplasma marginale、Ehrlichia risticiit和立克次氏体，其中Anaplasma marginale是它的姐妹群。序列分析的结果也表明， Wolbachia属是多元的。其中 Wolbachia persica是属于γ-亚门。

  19. 对来自33个不同Wolbachia株系的ftsZ研究表明，株系间存在很大的差异,株系分为A组群和B组群。同义代替率的研究表明，A群和B 群在5800～6700万年前已互相分离，两组群间很少发生或者不发生基因重组。16SrDNA的差异为2%。 • Wolbachia同时存在着水平传播（horizontal transmission）和垂直传播（vertical transmission）。水平传播已在B群上作了检测，认为这可能是寄生物和寄主之间交换的一种机制。

  20. Wolbachia的时空动态 • 1994年秋，日本学者S. Hoshizaki 等以日本本州为中心收集了灰飞虱的9个自然种群，南起小田原（Odawara），北至古川（Furukawa）。从下表可看出：最东北的种群（古川）不感染Wolbachia；相反，位于最西南面的5个种群完全感染，中部的种群部分感染。

  21. 表 灰飞虱种群的收集点

  22. 表 灰飞虱9个自然种群盛行Wolbachia的感染

  23. 根据1984年Noda对相同采集地种群调查，当时只有小田原(最西南)完全感染Wolbachia,而到1994年Hoshizaki的调查，除小田原种群外，完全感染的种群增加了4个(即浦河、鸿巢、高崎、内田原种群），而矢板、郡山、仙台种群的感染率分别为93%、33%、8%，只有古川种群不感染。说明Wolbachia的感染已从西南扩展到东北，郡山、仙台种群可能处于最初感染状态。 Wolbachia扩散的方向跟日本岛上飞虱迁飞方向一致。 • 在加利福尼亚某果蝇Drosophila simulans也发现Wolbachia的动态进程，3年内被感染的速率，平均每年以100km的速度进展。

  24. 小结 由于Wolbachia存在着CI、PI和雌性化的特性，因而它很有希望被用于许多虫媒传播的重大人类疾病的基因工程防治和生物防治。 Wolbachia导致CI的这种种间隔离机制，不仅对共生菌有重要意义，而且也是重要的物种形成机制。 对传毒介体的昆虫体内共生菌进行抗体基因的转化，再放回到昆虫体内，利用CI机制，使工程昆虫的群体在自然界扩大，抗体基因得以表达，并逐步减弱介体昆虫的传毒能力，最终达到阻断对病毒（或病菌）的传播。

  25. 利用Wolbachia的IP机制，可将Wolbachia移植到对生产有极大意义的昆虫天敌体内，使其大量繁殖，在生产上真正起到控制害虫的主要作用，从而达到综合防治的实际运用。利用Wolbachia的IP机制，可将Wolbachia移植到对生产有极大意义的昆虫天敌体内，使其大量繁殖，在生产上真正起到控制害虫的主要作用，从而达到综合防治的实际运用。 • 雌性化的存在，则为性别决定上的遗传竞争创造了潜在性的条件，这将导致在性别决定系统上的快速进化。 • 以上都是对Wolbachia应用的展望，具体运用的落实，还需作大量的研究工作。

  26. 中国被毛孢与蝠蛾关系（构想图） 成虫 孢子形成 蛹 出子座 有性 孢子 中国被毛孢 高龄幼虫 卵 蝠蛾 无性阶段 进入虫体 有机环境 菌丝体 低龄幼虫

  27. 参考文献 • 施婉君 程家安 祝增荣 蒋明星 娄永根.昆虫共生菌Wolbachia的研究进展.生态学报,2002,22(3):409-419 • 甘波谊 周伟国 冯丽冰 沈大梭 李昌本. 沃尔巴克氏体在中国三种稻飞虱中的感染.昆虫学报,2002,45(1):14-17 • 龚鹏 沈佐锐 李志红. Wolbachia属共生细菌及其对节肢动物生殖活动的调控作用.昆虫学报,2002,45(2):241-252 • Hertig M. The rickettsia, Wolbachia pipientis (gen. et sp. n.) and associated inclusions of the mosquite Culex pipiens. Parasitology, 1936,28:453-486 • Laven H. Speciation by cytoplasmic isolation im the Culex pipiens complex. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol.,1959,24:166-173 • Yen J H and Barr A.R. New hypothesis of causa of cytoplasmic incompatibility in Culex pipiens. Nature, 1971,232:527-528 • Bourtzis K.dobson S.L. Braig H. R. et al., Rescuing Wolbachia have been overlooked [letter]. Nature, 391:852-853

  28. Werren J. H. Biology of Wolbachia. Annu. Rev. Entomol., 1997,42:587-609 • 邓可京 杨琰云 胡成业. 灰飞虱共生菌Wolbachia引起的细胞质不亲和性. 复旦学报(自然科学版),1997,36(5):500-506 • 崔建平 仲泉 李文卓 严健 沈大棱. 灰飞虱Wolbachia群体生物学的遗传特性研究.复旦学报(自然科学版),1998,37(4):542-546 • 周伟国 赵新燕 王蓉 甘波谊 李昌本. Wolbachia在Drosophila auraria复合种和Drosophila sinulans中的感染.复旦学报(自然科学版),1999,38(4):422-427 • 甘波谊 周伟国 赵新燕 冯丽冰 李昌本. Wolbachia在中国稻田飞虱中的感染和传播.复旦学报(自然科学版),2000, 39(3): 331-337 • 廖珊 康琳 陈小爱 叶鑫 李昌本. Wolbachia在灰飞虱体内的分布.复旦学报(自然科学版),2001,40(5):539-543

  29. 宋社吾 赵彤言 董言德 蒋书楠 陆宝麟. Wolbachia的wsp基因片段在我国尖音库蚊复合组中的PCR扩增. 寄生虫与医学昆虫学报, 2000,7(2):96-98 • 龚鹏 沈佐锐. PCR为基础的分子技术检测沃尔巴克氏体的研究进展. 遗传, 2002,24(2):207-210 • 宋社吾 赵彤言 董言德 陆宝麟. 我国尖音库蚊复合组蚊虫的杂交及其与Wolbachia感染的关系. 昆虫学报, 2002, 45(6):705-710 • 葛春喜 黄炯烈 陈观今 潘实清 吴瑜 王玲. 白纹伊蚊和致倦库蚊Wolbachia 16S rRNA序列测定与分析. 中山医大学学报, 2002,23(2):81-83 • 康琳 孙磊 喻红 周伟国 赵寿元 李昌本. 胞内共生菌Wolbachia内噬菌体相关尾蛋白基因的分子克隆及特征分析. 科学通报, 2002,47(2):916-921

  30. 龚鹏 沈佐锐 李志红. 我国麦蚜体内的沃尔巴克氏体(Wolbachia)的检测.昆虫知识, 2002,39(3):188-190 • 宋社吾 赵彤言 董言德 蒋书楠 陆宝麟. 我国蚊虫体内的 Wolbachia 的wsp基因序列测定与分析. 昆虫学报, 2002, 45(5):571-577 • 龚鹏 沈佐锐 李志红.Wolbachia属共生细菌及其对节肢动物生殖活动的调控作用. 昆虫学报, 2002, 45(2):241-252 • 宋社吾 赵彤言 董言德 蒋书楠 陆宝麟. Wolbachia在我国蚊虫体内感染组织定位的透射电镜观察和PCR检测. 寄生虫与医学昆虫学报, 2002, 9(1):26-32

  31. 谢 谢 Thanks for your attention !

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