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昆虫体内的雄性致死菌:机制,发生率及意义

Gregory D.D. Hurst and Francis M.Jiggins
University College London, United Kingdom

Chinese Translations - 中文译本 > Volume 6 - 第6卷

Article in English

通 过雌性宿主垂直传播而致雄性宿主死亡的细菌,最早报道于五十年代。最近的研究表明这类细菌是多种多样的,应对这类细菌的生物学特性进行重新评价。例如,立 克次体曾被认为是通过节肢动物传播的人类病原体。但专性地与某类昆虫相关联的雄性致死性立克次体的发现,显示这些种属成员可能最初只是与节肢动物相关,而 仅仅是在有些时候才是脊椎动物的病原体。本文讨论了雄性宿主致死怎样影响细菌的遗传模式和雄性致死菌怎样影响它们宿主的种群。最后,讨论这类微生物在控制 昆虫种群方面的潜在利用价值。

雌性昆虫通常是与细菌通过其子代产生相互作用。这些遗传的细菌常常是有利共生,在宿主新陈代谢中扮演某一重要角色。许多情况下(如蚜虫与Buchnera共生),细菌保存在宿主特定的器官内(the bacteriome),由宿主控制传播到子代,显示同物种形成的趋势[1,2]。在种情况下,消灭细菌(如通过抗生素处理)将导致宿主性状的极度丢失。另一些情况则是子代细菌不并入宿主生理学和解剖学中去,不显示与宿主长期共生关系,不存在同物种形成[3]。这些细菌可粗约地分为二类。第一类,细菌通过水平传播维持其种系(如Rickettsia prowazekii),这 种向另一种节肢动物传播的过程中常存在某一脊椎动物或植物性中介宿主(中介宿主的感染和从宿主吃食中获得新的感染);第二类,细菌很少出现水平传播,但能 通过控制宿主的繁殖来维持其种系。细菌一种明显的控制方法是消耗宿主的雄性后代,同时促进雌性宿主的生长。这种情况下,特定的宿主种系将产生偏向雌性的性 别比率偏差,该特性可遗传,但可用抗生素纠正。我们认为这些细菌中的雄性致死菌,被雌性感染后将导致所产的卵的性别比率向雌性偏差,因为雄性子代在胚胎发 生中就已死亡。

雄性致死菌分类学

分子体系的接近显示雄性致死菌起源于多个不同的进化分枝。一般来说,这些资料来自与细菌某些特性相关的DNA序列和通过感染和非感染系交叉进行PCR试验对这些特性进行的证实。因为微生物传代培养困难,在形式上只能满足Koch定律中的两条[4,5]。明确了这点,就可在SpiroplasmaMollicutes)[4,6],产黄菌族[7]和蛋白菌ga亚型[5,8,9]中发现雄性致死菌。

雄性致死菌起源于本身并不致雄性死亡的细菌,是与节肢动物密切相关的进化分枝上细菌。根据细菌传播机制,这些进化分枝上的细菌可分为两类:第一类,完全的水平传播或水平、垂直混合传播类;第二类,流行病学中并不重要的水平传播类。第一类为Spiroplasma 属和立克次氏体属。在Spiroplasma属中,多数成员既有只进行水平传播的(吃食植物性宿主后);也有水平(发生在吃食脊椎动物宿主后)和垂直混合性传播的。最近和十年前一样,立克次氏体被认为是一种源于节肢动物的脊椎动物病原体。但是,对立克次氏体感染植物性宿后的传播方式有了进一步的认识[11],而且在瓢虫类甲虫中发现雄性致死性立克次氏体表明该属与节肢动物有关[8],一些成员可对脊椎动物致病。另一些雄性致死性立克次氏体很可能被发现。然而,这些属中某一菌株能否演化为具雄性致死性但仍保留其经过吃食植物或脊椎动物宿主在雌性间的水平传播,还没有被证实。雄性致死菌来源于这些属表明了这种可能性。

在分枝的第二类,垂直传播率远远的超过水平传播率。与节肢动物相关的Wolbachia和产黄菌谱系为此种属。Wolbachia通常是通过控制其宿主的繁殖来维持其种系延续[12]。与产黄菌属致雄性死亡菌最具亲缘性的是Blattabacterium,为蟑螂和白蚁的有益细菌[13]

如果细菌的祖系就存在专性地垂直传播或垂直水平混合型传播的动因,则固定于节肢动物母系遗传中的细菌衍生的致雄性死亡的特性就能够产生。因此,雄性致死菌株可能共同存在于Spiroplasma属和蛋白菌属a亚属。而且,动因的多样性显示,雄性致死性变迁的发生并不是分类学上的障碍。所以雄性致死株也可能在螺旋体及在蛋白菌bd亚属中发现,这些种属是已知的在节肢动物体内垂直传播的。

尽管雄性致死菌垂直传播是其规律,但不同种属间的水平传播仍然存在。Spiroplasma属中,S.ixodetis的近亲可在远族宿主间(蝴蝶和瓢虫类甲虫)产生雄性致死效应[6,14]。甲虫和蝴蝶间的进化距离表明,这些细菌的确横贯了两个不同种属宿主间的进化时间。

.雄性致死菌种系发生的亲缘关系和16S rDNA序列(用PAUP最大限度完成)推导的另一类真细菌的自然选择。雄性致死菌(下画线者)如其种属无通用名时以其昆虫宿主名标记。主要细菌属的关系还不肯定。

宿主种属的影响

雄 性致死菌的发病率随宿主生态学和生理学而不同。当雄性的死亡促进其雌性同类的生存时,致雄性死亡这一特性是适当的。如果细菌的传播只是以垂直传播的方式进 行,则雄性死亡的影响最坏不过也只是中性的(即它们不能传播细菌)。如果雄性的死亡能增加同类雌性的生存,同类雌性依靠其雌雄共同的世代携带这些细菌,则 雄性死亡也是适当的。

宿主有利于能杀死其胚胎的细菌的生理学和生态学特性表现为同胞卵的消耗(雌性吃食其雄性),同类间的对抗作用(雄性致死效应可降低雌性的同类相残及同胞间的竞争强度)和有害的近亲交配[15-17]。这些观察解释了为什么致雄性死亡菌宿主通常产数窝卵。正如球形甲虫(瓢虫)一样,有同胞卵消耗的地方,发病率最高。有近半的食蚜类种属携带有雄性致死菌,并且有一种(Adalia bipunctata)是至少三种雄性致死菌的宿主[6,8,9]

雄性致死菌仅在昆虫体内被报道。但昆虫宿主的范围很宽,有不同的性决定系统的种类。现已有雄性致死菌的近亲在非昆虫类节肢动物中发现(如扁虱中的 Spiroplasma Rickettsia),雄性致死株的流行环境超出昆虫宿主以外及雄性致死效应可产生于昆虫以外的情况的报道。有两例特别有试验的价值:第一例,感染Orientia tsutsugamushi将使恙螨( Leptotrombidium fletcheri)生产全为雌性的卵[18,19];在此例中,性别比率歪曲(初次偏差对二次偏差)结果的性质需要进行讨论。第二例,是对Spiroplasma ixodetis和它的扁虱宿主(Ixodes pacificus)之间而言,它与其在昆虫体内有近亲关系的雄性致死菌的联系也需进行讨论。

雄性致死菌在自然群体中的流行情况

雄性致死菌在自然群体中的流行情况随宿主种属而不同(表1)。在雌性宿主体内的流行率在5%-50%间可认为是正常的;但在某些情况却下很低(如在Drosophila willistoni中为1%[20]),在另一些特殊种属中却有大于90%的雌性被感染(如蝴蝶的Acraea encedana[21])。然而,这些高感染率可能是研究偏差产生的,而且极低的感染率均是在果蝇中发生,果蝇却因其易饲养获得大样本。感染率通常也可在相同宿主的不同群体中存在差异,并在一小范围内产生明显的变化。在日本岛的南北部,胡桃木叶甲虫(Gastrolina depressa)体内不存在雄性致死菌,而在其中部,该类雌性甲虫则有50%-80%感染有雄性致死菌[22]Acraea encedon在每公里范围间的流行情况也存在差异[21]

1. 昆虫宿主自然群体中雄性致死菌的流行情况(雌性感染率)

细菌                                 宿主                                             流行率      Ref.

Spiroplasma sp.                 Adalia bipunctata                           0-22           6
(S. ixodetis relative)           Harmonia axyridis                          0-49          35
                                         Danaus chrysippus                         40              14
Spiroplasma poulsonii        Drosophila willistoni group flies      0-3             20
Wolbachia                        Acraea encedon                             60-95         36
                                        Acraea encedana                            95              21
                                        Adalia bipunctata                            0-5              9
Unnamed Flavobacteria    Coleomegilla maculata                    23              37
                                        Adonia variegata                            13               38
Arsenophonus nasoniae    Nasonia vitripennis                          4                 15
Rickettsia                         Adalia bipunctata                            5-7             6,39
Unknown                         D.bifasciata                                     0-7             26
                                        D.prosaltans                                   13               33
                                        Gastrolina depressa                        0-81            22
                                        Epiphyas postvittana                       4-7             40 
                                       
Hypolimnas bolina                           0-61          41
                                        Spodoptera littoralis                        24              42
                                        Lymantria dispar                             9         43

流行率的大小取决于感染对雌性宿主性状的生理学影响效应,细菌母代向子代传播效率和细菌雄性致死能力的大小(取决于宿主因素,如宿主同胞卵的消耗等)(表2)。传播效率可受环境因素影响(如,高温可降低传播效率),细菌本身的影响及宿主因素的影响。宿主基因的自然选择将阻碍细菌母代向子代的传播。宿主抗性基因的扩散可以防止那些能引起高流行率的细菌的感染。

2.影响雄性致死菌流行的因素

增加流行的因素

雌性宿主对近亲交配率降低的容忍

通过同类雄性宿主死亡增加早期传染源

由于同胞雄性宿主的死亡,竞争减少而使感染源增加

感染对生理的益处

降低流行的因素

无效的垂直传播

感染直接的生理代价

雄性致死菌高流行种群的绝种                   

雄性致死效应机制

目前对雄性致死了解甚少。无论是性别检测中得到的提示还是死亡机制,我们还不知其详情。实际上,与其说是两步(致病性的检测)不如说是一步(一种只导致雄性死亡的基本产物)。我们所了解的结果,几乎都来自于对Spiroplasma poulsonni与果蝇间相互作用的研究。

对感染S.poulsoniirD.willistoi系胚胎的研究显示,致死过程分为两步[23]1)原肠胚形成之前,与异常的卵裂有关;尤其是与异常有丝分裂相伴的非染色质纺锤体,它是致雄性死亡系中大部分胚胎死亡的原因。2)原肠胚形成之后,与正常的死亡胚胎棕色色变无关,相反地,胚胎内部结构破裂黑变,核固缩。

宿主与细菌的相互作用位置是利用S.poulsonii菌转染D.melanogaster果蝇系进行研究的。对果蝇而言,性别是由X染色体与常染色体的比率决定的。雌性为2X:2n,可生成Sxl肽。Sxl肽诱导雌性体细胞及其种系发育。雄性为X:2n,不能生成Sxl肽。Sxl 肽的缺乏,致单个X染色体基因上调(剂量补偿),雄性体细胞发育及种系发育。在果蝇体内,雄性致死菌不与体细胞性别发育途径产生任何相互作用。虽然两个X染色体tra基因突变并生成Sxl肽,但体细胞仍呈雄性发育。S.poulsonii并不能将果蝇杀死[24]。因此,宿主与雄性致死菌的相互作用与体细胞性别无关。所以,检测和致病的目标可能是Sxl生成以前,Sxl本身,或是剂量补偿作用,亦或是种系决定途径。

尽管只对果蝇与S.poulsonii的相互作用进行了有限的研究,仍能看出不同的雄性致死菌宿主所显示的性别决定机制是多种多样的。雄性致死菌可在雄性异形配子、雌性异形配子和单倍-二倍体宿主中观察到。而且,相同分枝上的雄性致死菌的成员能在不同性决定系统的宿主中发现。相同的Spiroplasma可杀死雄性螵虫(雄性异形配子类)和雄性蝴蝶(雄性同形配子类)。同样地,雄性致死Wolbachia菌也能在雄性和雌性异形配子类种属中发现[9]。所知的雄性和雌性异形配子系统对应位置染色体记数和剂量补偿的不同模式以及雄性致死菌对这些种类宿主的作用显示,X:常染色体记数机制和剂量补偿途径都不是致雄性死亡效应的关键;而体细胞性决定或种系决定可能才是其关键。

S.poulsonii实验表明,体细胞性决定系统不是致雄性死亡行为的关键。另一类Spiroplasma雄性致死菌在不同性决定系统宿主种属中的存在,则表明无论是体细胞性决定系统还是种系决定系统都是其关键所在。这两种结论都有可能:种系决定是所有致雄性死亡效应的关键所在,或都说是其效应的基础。更多的研究被证实。

对雌性宿主的直接作用

雄 性致死菌与雌性宿主的相互作用很有趣。一方面,要选择宿主体内雄性致死菌数量的减少(最小的致病性)和细菌对宿主新成代谢直接的生理贡献。另一方面,它们 的适应性又与它们能传播后代的确限度相关。最小的致病性和最大的传播效率之间可能有一转换,特别是传播效率与细菌数量呈正相关时。因此,这些细菌对宿主可 以是有害的(如果细菌的密度高到能确保其垂直传播时),也可以是有利的(如果细菌在新成代谢中扮演某种角色时)。

经验研究表明,感染使雌性宿主的性能降低[25][26]。有一例外,在Spiroplasma poulsoniiDrosophila willistoni间的相互作用中,感染使幼虫的发育加快。但是,感染也与群体中雄性成虫不育增加及寿命减少相关[28]。和有利共生不同,雄性致死菌是通过宿主组织传播,细菌数量巨大。在血淋巴液中,果蝇以极高的滴度感染S.poulsonii[29]Adalia bipunctata血球经常感染立克次体[30]

雄性致死菌对宿主性状的有利影响并不能被排除,只是其正面效应比那些精典的有利因子小。这些因子在昆虫体内履行昆虫自身不能履行的对其生死攸关的某一特定的代谢功能。雄性致死菌感染少数雌性,幼虫或雄性成虫则极少携带。因此,尽管它们能增强宿主的性状,但不能替代宿主的任何部分。宿主也不能为了某一有利共生的生理功能而依靠雄性致死菌。

种群及进化对宿主的影响

雄性致死菌对宿主种群的入侵将影响宿主种群动力学和改变种群自然选择的模式,该模式可改善寄生菌对宿主的影响(表3)。雄性致死菌流行率高,可以增加雌性宿主交配的失败率[31],潜在地减少宿主种群大小。雄性的缺乏能敏感地改变宿主的交配系统。雌性对雄性配偶的选择以及雄性为交配机会进行的竞争是昆虫界的规则。然而,因雄性致死菌产生的性别比例有偏差的群体中,可将这种模式反过来[31]。可出现雄性选择雌性和雌性间为雄性而竞争,对雄性的选择放宽以确保父系。

3.宿主种群及进化对雄性致死菌入侵的影响

种群水平的影响                        进化的影响

雄性胚胎死亡致幼虫水平上的            宿主产卵数量增加的自然选择

    种群密度降低

寄生菌流行使雄性宿主缺乏,            防止雄性致死菌传播或阻止其活性的宿主

    潜在影响成虫种群大小,                   基因的自然选择

    导致雌性寻找雄性配偶失败

雄性繁殖增加致性传播病原体的          种群性别比率改变致自然选择中宿主性

    流行病学改变                              别模式的改变

入侵宿主种群的雄性致死菌可以改变宿主生理。理论预示将选择增加一次产卵的数量[32]。最重要的是,阻止寄生菌的作用或传播的基因将获得偏爱。对这些基因的存在也有报道[33],但它们的自然属性和作用方式还不了解。这意味着昆虫对细菌的排斥在我们对昆虫传染病的了解中是非常重要的,因此抗性基因的属性是未来研究的重点。

有一种争论涉及雄性致死菌是否能导致其宿主灭绝。Acraea encedon A.encedana类蝴蝶有这种趋势。Wolbachia雄性致死菌在这些种属中流行率很高,并对宿主种群有明显的影响[21,31]。如果雄性致死菌呈完全的垂直传播,宿主灭绝就有可能。但是,对宿主的自然选择作用将降低细菌的传播效率,最终限制灭绝的频率。

结论:雄性致死菌的影响和应用

雄性致死效应有助于细菌子代在自然群体中的传播。许多细菌株系中存在的致雄性死亡菌清楚地表明在垂直传播细菌的流行病研究中应考虑致雄性死亡效应。在节肢动物和立克次体及Spiroplasma的相互作用中,致雄性死亡效应是非常重要的。这些菌株的成员经常表现出在节肢动物宿主间的水平传播(after host-feeding)以及节肢动物体内的垂直传播。所给出的这些菌群中的一些菌株导致雄性致死,这一特性是否存在的检测应该是以后对这些菌株进行流行病学调查的一部份。

现将雄性致死菌在害虫控制中潜在的应用价值作一评估。雄性致死细菌可用于其宿主群体大小。以便扩大释放雄性成虫的效果。有选择地,可将它们并入雄性不育释放管理计划,以便扩大释放雄性成虫的效果。另外,最近在Wolbachia类进化枝中发现的雄性致死效应,提供了一种额外的利用这类有机体直接和通过转机因来控制疾病传播的方法。

致雄性死亡特性减少虫害方法的应用还处于争论中。昆虫种群的大小及持续时间主要取决于雌性数量而非雄性数量。因此,尽管致雄性死亡效应能降低幼虫密度,但不能减少有生育能力的雌性种群。而且,幼虫阶段密度依赖性的存在可能降低对雄性幼虫致死的影响。

或 许雄性致死菌在害虫管理中更现实的利用应该是与不育雄性释放控制系统相结合。不育雄性释放系统中,其控制作用是通过释放大量不育雄性到环境中与雌性交配, 降低其出生率而达到。不育雄性释放的成功,依赖于不育雄性对正常雄性天群体中的高比率。雄性致死者存在于宿主群体内,将降低能育雄性的数量增加释放的效 率。雄性致死菌在育雄性释放系统中的不同流行情况的影响与群体动力学影响的协同作用不需进一步研究。然而,致雄性死亡菌协同控制宿主数量的直接应用,是唯 一能达到的长期策略。随着被感染宿主释放到自然群体中,在数年而非数周后,即可产生一种生态学恰当的和流行水平有意义的传播。雄性致死菌在害虫控制和传病 媒介控制方面的另一种可能的应用将通过对该类细菌致病机理的研究中产生。

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