王爭(zhēng)艷 胡海生 雍晗紫 魯玉杰

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，鄭州 450001）

在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，共生菌與宿主形成了較為穩(wěn)定的共生關(guān)系。根據(jù)共生菌與昆蟲(chóng)宿主聯(lián)系的穩(wěn)定程度，可將昆蟲(chóng)共生菌分為4類(lèi)，專(zhuān)性?xún)?nèi)共生菌、兼性?xún)?nèi)共生菌、胞外共生菌和體外共生菌。宿主為共生菌提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量來(lái)源，而共生菌對(duì)昆蟲(chóng)宿主具有多種功能，能參與昆蟲(chóng)的生理生化過(guò)程，影響昆蟲(chóng)的營(yíng)養(yǎng)、抗藥性、天敵防御和免疫能力等［1］。對(duì)于單食性的昆蟲(chóng)，如以植物汁液為食的蚜蟲(chóng)、以木材為食的白蟻，共生菌的營(yíng)養(yǎng)功能尤為重要，可幫宿主消化植物多糖，提供碳源、必需氨基酸、維生素等［2］。

盡管共生菌對(duì)昆蟲(chóng)宿主功能相關(guān)的綜述很多，但缺乏對(duì)共生菌與昆蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)聯(lián)系的系統(tǒng)總結(jié)和分析，其研究也多停留在揭示雙方營(yíng)養(yǎng)聯(lián)系的層次，鮮少涉及雙方營(yíng)養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程及其調(diào)控機(jī)制，而后者為研究共生菌與人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)健康的聯(lián)系提供參考，也為研發(fā)害蟲(chóng)防治技術(shù)提供新思路。因此，本文在總結(jié)共生菌對(duì)昆蟲(chóng)宿主營(yíng)養(yǎng)功能最新研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析共生菌和宿主間營(yíng)養(yǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)模式、宿主對(duì)共生菌營(yíng)養(yǎng)素生產(chǎn)和轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控，以及共生菌與宿主營(yíng)養(yǎng)共生的進(jìn)化意義，以期為共生菌與宿主營(yíng)養(yǎng)共生及其機(jī)制的深入研究提供參考。

1 共生菌對(duì)昆蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)的功能

1.1 為宿主提供營(yíng)養(yǎng)素

1.1.1 提供必需氨基酸 植物汁液中昆蟲(chóng)必需氨基酸的含量小于20%。共生菌提供的必需氨基酸對(duì)以植物汁液為食的半翅目昆蟲(chóng)具有重要意義［3］。三方面的證據(jù)表明共生菌Buchnera aphidicola向豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）提供色氨酸等必需氨基酸：（1）使用抗生素去除B.aphidicola后，豌豆蚜喪失合成必需氨基酸的能力［4］；（2）體外培養(yǎng)的B.aphidicola可以合成亮氨酸和苯丙氨酸等必需氨基酸［5］；（3）盡管B.aphidicola的基因組在進(jìn)化過(guò)程中極度退化，但保留了合成宿主必需氨基酸的相關(guān)基因［6］。此外，基因組分析表明，隱尾蠊（Cryptocercus punctulatus）中的Blattabacterium cuenoti和點(diǎn)蜂緣蝽（Riptortus pedestris）中的Burkholderia insecticola均具有合成宿主必需氨基酸的關(guān)鍵基因［7-8］。

1.1.2 提供維生素 共生菌能將氮固定為氨后合成維生素，以水溶性的B族維生素為主［9］。血食性昆蟲(chóng)，如采采蠅（Glossina brevipalpis）和其他雙翅目蛹生類(lèi)昆蟲(chóng)、臭蟲(chóng)、吸血虱以及一些植食性昆蟲(chóng)和木食性昆蟲(chóng)，如以植物汁液為食的半翅目昆蟲(chóng)和鞘翅目昆蟲(chóng)的常駐共生菌均能為宿主提供B族維生素［3］。代謝組學(xué)有助于從維生素的合成途徑上揭示維生素的來(lái)源，如全基因組和代謝組分析發(fā)現(xiàn)，煙粉虱（Bemisia tabaci）的共生菌Arsenophonus和Hamiltonella、褐飛虱（Nilaparvata lugens）和灰飛虱（Laodelphax striatellus）的共生菌Wolbachia的基因組中都存在合成B族維生素的基因，且共生菌存在時(shí)，宿主可以合成更多的B族維生素［10-12］。

1.1.3 提供甾醇 甾醇是昆蟲(chóng)蛻皮、發(fā)育和生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)素，但昆蟲(chóng)不能合成甾醇化合物，必須從食物或共生菌中獲得。共生菌飼喂實(shí)驗(yàn)證實(shí)，木蟻（Camponotus vicinus）的共生菌Schwanniomyces polymorphus可以幫助宿主獲得甾醇類(lèi)營(yíng)養(yǎng)素［13］。在煙草甲（Lasioderma serricorne）、藥材甲（Stegobium paniceum）和褐飛虱與類(lèi)酵母菌的共生體系中，利用GC-MS檢測(cè)來(lái)自宿主和類(lèi)酵母的甾醇物質(zhì)發(fā)現(xiàn)，在類(lèi)酵母菌中檢測(cè)到的大多是生物合成晚期的麥角甾醇，在宿主中檢測(cè)到的大多是麥角甾醇到7-脫氫膽固醇的中間代謝產(chǎn)物，表明宿主體內(nèi)甾醇來(lái)源于類(lèi)酵母產(chǎn)生的麥角甾醇［14］。

1.1.4 參與氮素循環(huán) 共生菌可從宿主的食物和含氮代謝廢物中，或通過(guò)自身的固氮作用獲得含氮的前體物質(zhì)［3］。黑胸大蠊（Periplaneta fuliginosa）中的Blattabacterium spp.主要存在于宿主尿酸鹽細(xì)胞旁的含菌細(xì)胞內(nèi)，它們可以從尿素和氨中回收氮素［15］。代謝物建模和基因組分析已初步揭示共生菌參與宿主體內(nèi)氮素循環(huán)的生化過(guò)程。在豌豆蚜中，共生菌B.aphidicola和宿主聯(lián)合將含氮代謝廢物轉(zhuǎn)化為必需氨基酸。首先由共生菌合成氨基酸的碳骨架，然后豌豆蚜分泌轉(zhuǎn)氨酶將代謝廢物氨轉(zhuǎn)化為氮，并整合到碳骨架上生成氨基酸［16］。橄欖果實(shí)蠅（Bactrocera oleae）腸道共生菌Candidatus Erwinia dacicola的基因組可以編碼尿素酶，Tatumella sp.可以編碼尿素羧化酶和脲基甲酸水解酶，這些酶幫助宿主將尿素水解為有用的氮素［17］。

共生菌的固氮作用廣泛存在于白蟻中。白蟻腸道共生菌螺旋體的固氮作用為白蟻提供氮源［18］。腸道共生菌的固氮能力由白蟻食物中的氮素含量決定。以土壤為食的白蟻的腸道共生菌的固氮能力不明顯，而以木材為食的白蟻的腸道共生菌如Citrobacter freundii和Enterobacter agglomerans具有明顯的固氮能力［19］。而且，共生菌的固氮量與昆蟲(chóng)氮日攝取量負(fù)相關(guān)，說(shuō)明白蟻氮日攝取量過(guò)高會(huì)抑制其共生菌的固氮作用［20］。地中海實(shí)蠅（Ceratitis capitata）、黑森癭蚊（Mayetiola destructor）和紅脂大小蠹（Dendroctonus valens）的共生菌也有固氮能力［21-23］。

1.2 協(xié)助宿主昆蟲(chóng)消化食物

1.2.1 消化蛋白質(zhì) 通過(guò)研究共生菌來(lái)源的蛋白消化酶的結(jié)構(gòu)和功能，發(fā)現(xiàn)腸道共生菌梭狀芽孢桿菌Clostridium、擬桿菌Bacteroides、乳酸桿菌Lactobacillus等能產(chǎn)生蛋白水解酶［9］。例如，對(duì)幕谷蛾（Tineola bisselliella）幼蟲(chóng)腸道共生菌的分離培養(yǎng)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，腸道芽孢桿菌能產(chǎn)生幫助宿主水解角蛋白的酶［24］。單食性的橄欖果實(shí)蠅以橄欖果皮為食，能分解果皮中的非水解蛋白質(zhì)。基因組功能分析發(fā)現(xiàn)其腸道共生菌Candidatus Erwinia dacicola的基因組中具有編碼絲氨酸蛋白酶等酶的基因，這些酶可以幫助宿主消化非水解蛋白質(zhì)［25］。實(shí)際上共生菌分泌到胞外的蛋白質(zhì)組成復(fù)雜，包括蛋白酶、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和應(yīng)激蛋白等，這些活性物質(zhì)的協(xié)同作用在宿主消化中的意義要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單一的蛋白酶，值得進(jìn)一步的研究。

1.2.2 消化多糖 共生菌消化多糖對(duì)植食性昆蟲(chóng)的碳營(yíng)養(yǎng)極具意義。植物細(xì)胞壁的成分主要是纖維素、半纖維素和一些果膠，昆蟲(chóng)體內(nèi)缺乏降解這些復(fù)雜植物多糖的酶。昆蟲(chóng)后腸的共生菌會(huì)分泌纖維素酶和半纖維素酶，將細(xì)胞壁消化為簡(jiǎn)單的糖，然后生成短鏈脂肪酸供昆蟲(chóng)利用［26］。此外，在切葉蟻（Acromyrmex echinatior）中，共生菌可能參與甲殼素的水解［27］。

在取食高糖食物的昆蟲(chóng)中，共生菌利用糖類(lèi)合成宿主所需的乙酸鹽等產(chǎn)物［28］。以高糖腐爛水果為食的黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）的腸道共生菌代謝多糖產(chǎn)生三至五碳的醇、醛、酸及其酯［29］。多種共生菌的體外共同作用可以提高消化產(chǎn)物的產(chǎn)量和種類(lèi)，而果蠅也更偏愛(ài)多種共生菌的消化產(chǎn)物［30］。共生菌群落代謝在其中起著重要的作用，醋酸桿菌Acetobacter pomorum利用乳酸桿菌Lactobacillus plantarum產(chǎn)生的乳酸合成乙偶姻，醋酸桿菌Acetobacter malorum利用酵母菌Saccharomyces cerevisiae產(chǎn)生的乙醇合成乙酸［30-31］。

在蜜蜂代謝花蜜和花粉的過(guò)程中，腸道共生菌起著重要作用。Gilliamella apicola是蜜蜂腸道共生菌的核心菌群。通過(guò)比較來(lái)自于東方蜜蜂（Apis cerana）、西方蜜蜂（Apis mellifera）和熊蜂（Bombus spp.）的共42個(gè)G.apicola菌株的基因組，發(fā)現(xiàn)一些菌株可以幫助蜜蜂利用有毒的甘露糖、樹(shù)膠醛糖、木糖和鼠李糖［32］。在厭氧條件下，蜜蜂后腸共生菌可以水解多種糖類(lèi)，基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究表明，醋酸桿菌、乳酸桿菌等利用糖類(lèi)生成乙醇、乙酸、乳酸、乙酰丙酮酸和2, 3-丁二醇等物質(zhì)［33］。

1.2.3 消化木質(zhì)素 如果宿主缺乏木質(zhì)素消化酶，且食物中存在木質(zhì)素時(shí)，共生菌會(huì)產(chǎn)生木質(zhì)素降解酶幫助宿主克服營(yíng)養(yǎng)限制［34］。除了一些傳統(tǒng)真菌（白腐菌Phanerochaete chrysosporium和褐腐菌Gloeophyllum trabeum）外，大量以木材為食的昆蟲(chóng)的腸道真菌也可以降解木質(zhì)素［35］。體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)共生菌可以產(chǎn)生降解木質(zhì)素的酶。以木質(zhì)素為唯一碳源培養(yǎng)昆蟲(chóng)腸道共生菌，發(fā)現(xiàn)白蟻（Bulbitermes sp.） 的 共 生 真 菌 Aspergillus sp.A1［36］、 黑 胸 散 白蟻（Reticulitermes chinensis）的共生真菌Candida pseudorhagii SSA-1542 T.［37］均可以產(chǎn)生木質(zhì)素降解酶。此外，大家白蟻（Coptotermes curvignathus）的 共 生 細(xì) 菌 Lysinibacillus sp.、Acinetobacter sp.和Bacillus sp.［38］，旱白蟻（Anacanthotermes）的共生細(xì)菌 Bacillus sp.CF96［39］、白蟻（Bulbitermes sp.）的共生細(xì)菌Bacillus sp.B1和Bacillus sp.B2［36］也可以產(chǎn)生木質(zhì)素降解酶。實(shí)際上，昆蟲(chóng)體內(nèi)木質(zhì)素的降解過(guò)程非常復(fù)雜，木質(zhì)素的消化需要宿主和共生菌的協(xié)同作用。木質(zhì)素進(jìn)入后腸（共生菌定殖處）之前，已被宿主進(jìn)行了初步消化，共生菌僅參與木質(zhì)素的后期消化。木質(zhì)素在腸道內(nèi)消化過(guò)程的研究，有助于理解共生菌群落組成和宿主間的協(xié)同進(jìn)化。

1.3 影響宿主腸道環(huán)境

共生菌的代謝產(chǎn)物會(huì)影響宿主腸道的O2濃度、pH值和氧化還原電位［40］。熊蜂腸道中的乳酸桿菌Lactobacillus bombicola產(chǎn)生的大量乳酸［41］、西方蜜蜂后腸的糖發(fā)酵菌G.apicola和乳酸桿菌Lactobacillus sp.產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸均能降低腸道的pH值。西方蜜蜂后腸中的共生菌Snodgrassella alvi還能利用這些脂肪酸和O2進(jìn)行能量代謝，維持腸道的低氧狀態(tài)。腸道環(huán)境的低氧和低pH有利于其他益生菌的生長(zhǎng)［42］。此外，在白蟻的腸道中，后腸室的比表面積較大，導(dǎo)致腸壁流入的O2量很大，但腸道共生菌的O2消耗利于維持腸道內(nèi)容物的低氧狀態(tài)，降低了腸道的氧化還原電位，保證甲烷生成和乙酸生成作用的順利進(jìn)行［43］。共生菌對(duì)宿主腸道環(huán)境的影響意義遠(yuǎn)不止此，因?yàn)橹泻竽c的缺氧環(huán)境對(duì)某些復(fù)雜大分子的消化具有特殊意義。

1.4 影響宿主腸道的形成

共生菌能調(diào)控宿主圍食膜合成相關(guān)基因的表達(dá)，影響宿主腸道圍食膜的形成。利用抗生素去除共生菌后，家蠶（Bombyx mori）的圍食膜表面變得粗糙和疏松，通透性顯著增加，與圍食膜合成相關(guān)的基因表達(dá)明顯下調(diào)［44］。同樣，利用抗生素去除共生菌后，科魯茲按蚊（Anopheles coluzzii）的圍食膜碎片化，與圍食膜合成相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào)，尤其是相關(guān)酶的表達(dá)量下調(diào)或延遲表達(dá)［45］。此外，利用抗生素去除共生菌后，斯氏按蚊（Anopheles stephensi）的圍食膜碎片化，而且與圍食膜合成相關(guān)的基因表達(dá)明顯下調(diào)?；亟覧nterobacter sp.后，圍食膜結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常［46］。

1.5 對(duì)宿主營(yíng)養(yǎng)代謝的調(diào)控

共生菌可以影響宿主的營(yíng)養(yǎng)代謝，目前的研究集中在宿主的分解代謝。腸道共生菌可以利用自身產(chǎn)生的短鏈脂肪酸等代謝物與宿主進(jìn)行信息交流［47］。腸道的內(nèi)分泌細(xì)胞上特定的G蛋白偶聯(lián)受體識(shí)別短鏈脂肪酸后，會(huì)分泌Tk等肽類(lèi)物質(zhì)，調(diào)節(jié)腸道乃至全身的脂質(zhì)和糖類(lèi)代謝，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定［48］。在黑腹果蠅中，IMD通路基因沉默降低了Tk基因的轉(zhuǎn)錄水平，導(dǎo)致腸壁細(xì)胞中脂滴的積累。用微生物發(fā)酵產(chǎn)生的乙酸鹽飼喂無(wú)菌果蠅后，與G蛋白偶聯(lián)受體作用相似的肽聚糖識(shí)別蛋白可以識(shí)別乙酸，并調(diào)控IMD通路信號(hào)傳導(dǎo)水平上升，使腸壁細(xì)胞脂質(zhì)代謝恢復(fù)正常［49］。胞內(nèi)共生菌Wolbachia會(huì)調(diào)控黑腹果蠅sirt-4基因的表達(dá)，進(jìn)而影響宿主谷氨酸脫氫酶（葡萄糖代謝中的關(guān)鍵酶）的表達(dá)，影響宿主糖類(lèi)代謝［50］。事實(shí)上在體內(nèi)很難研究共生菌與糖類(lèi)、脂類(lèi)代謝等生物過(guò)程的關(guān)系，體外細(xì)胞系（cell lines）為研究這些生物過(guò)程提供了新的機(jī)遇。例如，通過(guò)建立蚊子Aedes fluviatilis的胚胎細(xì)胞系（含菌和無(wú)菌）并對(duì)其進(jìn)行功能表征發(fā)現(xiàn)，Wolbachia能調(diào)控宿主細(xì)胞能源物質(zhì)的動(dòng)員，進(jìn)而影響宿主的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類(lèi)代謝［51］。

2 共生體系聯(lián)合代謝

2.1 共生菌群落代謝

共生菌群落代謝生成營(yíng)養(yǎng)素的速率遠(yuǎn)高于單一共生菌，一些代謝過(guò)程往往需要群落里不同菌群的分工合作。通過(guò)快速移除代謝產(chǎn)物，可將某些吸熱生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成放熱反應(yīng)，從而最大程度降低共生菌群落的能量消耗［52］。正如前面所述，乳酸桿菌產(chǎn)生的乳酸是醋酸桿菌生產(chǎn)乙偶姻的底物，酵母菌產(chǎn)生的乙醇是醋酸桿菌生產(chǎn)乙酸的底物。共生菌的代謝組學(xué)和基因組學(xué)分析進(jìn)一步證實(shí)，胞內(nèi)共生菌之間存在營(yíng)養(yǎng)共生的現(xiàn)象［53］?；蚪M學(xué)分析顯示，煙粉虱中的共生菌Hamiltonella可以完成共生菌Portiera合成某些必需氨基酸的缺失步驟［54］。在沫蟬（Clastoptera proteus）中，利用同位素標(biāo)記法和代謝建模發(fā)現(xiàn)，它的一個(gè)共生菌群（Sulcia等）主要對(duì)葡萄糖進(jìn)行糖酵解，產(chǎn)生的丙酮酸和乳酸被第二個(gè)菌群（Zinderia等）進(jìn)行氧化磷酸化產(chǎn)生能量［55］。共生菌群落間，除了代謝物傳遞外，還能在基因水平實(shí)現(xiàn)信息交流?；蚪M學(xué)分析顯示，豌豆蚜中的共生菌Erwinia補(bǔ)充了Buchnera合成維生素的缺失步驟，這個(gè)基因是從共生菌Sodalis水平傳遞過(guò)來(lái)的，這些基因隨后轉(zhuǎn)移到Hamiltonella中［56］?；虻乃絺鬟f在共生菌群的進(jìn)化中發(fā)揮重要作用，可以增強(qiáng)共生菌的適應(yīng)能力或緩解內(nèi)共生菌基因組退化帶來(lái)的不利影響［57］。此外，共生菌間還存在代謝的相互調(diào)控，如代謝組建模和碳原子同位素標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，在豌豆蚜-Buchnera-Hamiltonella共生體系中，Hamiltonella可以促進(jìn)Buchnera合成更多的組氨酸［58］。

2.2 共生菌與宿主的聯(lián)合代謝

昆蟲(chóng)共生菌與宿主通過(guò)共享某些代謝途徑，共同合成必需的營(yíng)養(yǎng)素。豌豆蚜中的共生菌B.aphidicola、煙粉虱中的共生菌Portiera、Hamiltonella和柑橘粉蚧（Planococcus citri）中的共生菌Tremblaya、Moranella均丟失了編碼合成支鏈氨基酸末端轉(zhuǎn)氨酶的基因（ilvE）。從轉(zhuǎn)錄組和代謝組數(shù)據(jù)推測(cè)，相應(yīng)的生化反應(yīng)由昆蟲(chóng)宿主產(chǎn)生的等效酶來(lái)催化完成［59］。共生菌失去關(guān)鍵的生物合成的步驟可能對(duì)宿主有益，因?yàn)樗兄谒拗鲗?duì)營(yíng)養(yǎng)素生產(chǎn)和共生菌生長(zhǎng)的控制［60］。反之，有些昆蟲(chóng)生物合成必需氨基酸的基因來(lái)自于共生菌的水平傳遞。在柑橘粉蚧中，至少有22個(gè)表達(dá)基因從共生菌Tremblaya princeps轉(zhuǎn)移至粉蚧基因組后，使宿主具有了合成必需氨基酸的能力［61］。

3 共生菌營(yíng)養(yǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)模式

目前研究較多的是昆蟲(chóng)胞內(nèi)共生菌營(yíng)養(yǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)方式。胞內(nèi)共生菌產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)素需要跨多層膜才能傳遞給宿主，包括共生菌細(xì)胞膜、宿主產(chǎn)生的包裹共生菌的菌胞體膜（symbiosomal membrane）和宿主細(xì)胞膜［62］。菌胞體膜可以讓必需營(yíng)養(yǎng)素、代謝物和生物合成中間體選擇性地通過(guò)［63］。共生菌產(chǎn)生的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與營(yíng)養(yǎng)素跨共生菌細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)。豌豆蚜共生菌B.aphidicola有內(nèi)、外兩層細(xì)胞膜，兩層膜上均分布有共生菌產(chǎn)生的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與宿主與共生菌之間的營(yíng)養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)［64］。

實(shí)際上，大多胞內(nèi)共生菌的基因組缺失了編碼特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因，特別是在共生菌過(guò)量生產(chǎn)宿主所需營(yíng)養(yǎng)素的共生體系中明顯缺失，而宿主有豐富的編碼特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因［65］。共生菌產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)素可以正常傳遞給宿主，說(shuō)明宿主產(chǎn)生的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白最少參與了宿主細(xì)胞膜和菌胞體膜的營(yíng)養(yǎng)素運(yùn)輸［66］，但相關(guān)的直接例證較少。通過(guò)基因表達(dá)、蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和免疫組學(xué)，在豌豆蚜中的B.aphidicola的菌胞體膜上發(fā)現(xiàn)了的一種宿主表達(dá)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ApNEAAT1，該蛋白在非洲爪蟾（Xenopus laevis）卵母細(xì)胞中異源表達(dá)后，可以介導(dǎo)絲氨酸、脯氨酸、半胱氨酸、丙氨酸、甘氨酸等偶極氨基酸（dipolar amino acids）的轉(zhuǎn)運(yùn)［63］。

當(dāng)然，也存在著一些特殊的營(yíng)養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)途徑。豌豆蚜的胞內(nèi)共生菌B.aphidicola表面均勻分布著數(shù)百個(gè)鞭毛基體，而B(niǎo).aphidicola基因組不編碼鞭毛絲和運(yùn)動(dòng)蛋白，因此這些鞭毛不具有運(yùn)動(dòng)功能。這些鞭毛基體屬 III型分泌系統(tǒng)。在各種致病菌和共生菌中， III型分泌系統(tǒng)介導(dǎo)蛋白質(zhì)從共生菌到真核細(xì)胞的選擇性轉(zhuǎn)移［64］，據(jù)此推測(cè)B.aphidicola通過(guò)這些鞭毛選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)和其他小分子。

4 宿主對(duì)共生菌營(yíng)養(yǎng)代謝的調(diào)控

事實(shí)上，昆蟲(chóng)的營(yíng)養(yǎng)需求在整個(gè)生命過(guò)程中不斷發(fā)生變化，以滿(mǎn)足其生長(zhǎng)和繁殖等特定階段的需求，宿主可以通過(guò)調(diào)控共生菌營(yíng)養(yǎng)素的生產(chǎn)和轉(zhuǎn)運(yùn)以適應(yīng)自身的需要［67］。

4.1 宿主對(duì)營(yíng)養(yǎng)素生產(chǎn)的調(diào)控

宿主可以通過(guò)控制共生菌的空間分布和群落組成調(diào)控共生營(yíng)養(yǎng)素的生成。白蟻可以通過(guò)控制后腸共生菌的空間分布來(lái)產(chǎn)生高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的乙酸。乙酸生成作用和甲烷生成作用都依賴(lài)于H2對(duì)CO2的還原作用，高濃度的H2利于兩種生成作用的進(jìn)行。盡管甲烷生成具有熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)，但產(chǎn)甲烷的共生菌被宿主限制在H2濃度較低的腸壁內(nèi)，限制了甲烷的生成，從而保證腸道內(nèi)乙酸生成作用的優(yōu)勢(shì)［43］。宿主對(duì)營(yíng)養(yǎng)相關(guān)共生菌豐度的調(diào)控更為常見(jiàn)。豌豆蚜中的 B.aphidicola［68］和玉米象（Sitophilus zeamais）中Sodalis pierantonius［69］的豐度隨著宿主的發(fā)育不斷變化。從卵到若蟲(chóng)的發(fā)育過(guò)程中，煙粉虱中提供必需氨基酸的共生菌Portiera的豐度逐漸上升，以滿(mǎn)足宿主逐漸增加的營(yíng)養(yǎng)需求［70］。此外，伴隨著宿主生存條件尤其是食物條件的變化，共生菌的豐度也會(huì)發(fā)生變化，如隨著寄主植物必需氨基酸濃度的增加，煙粉虱中的Portiera豐度下降［71］。

宿主的免疫系統(tǒng)可以控制含菌細(xì)胞的數(shù)量和大小，直接影響共生菌的豐度。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)食物中缺乏酪氨酸和苯丙氨酸時(shí)，豌豆蚜體內(nèi)參與細(xì)胞增殖、控制細(xì)胞大小的基因（如ACYPI005644、ACYPI004569）表達(dá)上調(diào)，含菌細(xì)胞數(shù)量增加、體積變大，共生菌豐度也隨之增加［72］。宿主也可通過(guò)免疫系統(tǒng)調(diào)控其他兼性競(jìng)爭(zhēng)性共生菌的生長(zhǎng)或病毒的感染情況，間接調(diào)控特定共生菌的豐度。通過(guò)熒光定量PCR分析發(fā)現(xiàn)，豌豆蚜內(nèi)的Rickettsia能抑制B.aphidicola的生長(zhǎng)［73］。利用熒光原位雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)，感染番茄黃化曲葉病毒后，Rickettsia能影響煙粉虱體內(nèi)共生菌Portiera的生長(zhǎng)［74］。

對(duì)于胞內(nèi)共生菌，昆蟲(chóng)宿主可以通過(guò)菌胞體膜與溶酶體的融合或通過(guò)誘導(dǎo)內(nèi)共生菌基因組編碼的噬菌體來(lái)裂解共生菌?；蚪M分析發(fā)現(xiàn)，溫帶臭蟲(chóng)（Cimex lectularius）中的Wolbachia含有多個(gè)完整的噬菌體基因組，噬菌體進(jìn)入溶菌周期，就會(huì)裂解共生菌，釋放維生素等營(yíng)養(yǎng)素［75］。昆蟲(chóng)宿主可從活的共生菌或從裂解的共生菌獲取B族維生素，兩種途徑的相對(duì)重要性因維生素的種類(lèi)和昆蟲(chóng)的營(yíng)養(yǎng)需求而異，并受宿主食物條件和發(fā)育階段的影響［2］。

此外，昆蟲(chóng)宿主可以通過(guò)調(diào)控氨基酸合成前體的供給量或產(chǎn)物濃度調(diào)控共生菌營(yíng)養(yǎng)素的生物合成［67］。胞內(nèi)共生菌的生理代謝趨向簡(jiǎn)單，某些生理代謝轉(zhuǎn)移到昆蟲(chóng)宿主后，共生菌無(wú)需通過(guò)負(fù)反饋循環(huán)調(diào)節(jié)代謝水平，降低了代謝成本［2］。豌豆蚜含菌細(xì)胞的分離培養(yǎng)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，宿主可以通過(guò)移除底物或富集產(chǎn)物濃度來(lái)負(fù)反饋調(diào)節(jié)共生菌B.aphidicola必需氨基酸合成的通量。豌豆蚜通過(guò)谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ApGLNT1）調(diào)控氨基酸合成前體的供給量，控制B.aphidicola必需氨基酸的合成量。一些宿主的基因，如將氨轉(zhuǎn)化為谷氨酸（GS-GOGAT循環(huán)）相關(guān)的基因、B.aphidicola必需氨基酸合成補(bǔ)償基因和將非必需氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到含菌細(xì)胞的基因，可能是豌豆蚜調(diào)節(jié)共生菌營(yíng)養(yǎng)素合成的關(guān)鍵基因［67］。

4.2 宿主對(duì)營(yíng)養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控

除了通過(guò)表達(dá)特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來(lái)調(diào)控營(yíng)養(yǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)外，宿主調(diào)控營(yíng)養(yǎng)素跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的另一種機(jī)制可能是：宿主產(chǎn)生的抗菌肽會(huì)改變共生菌細(xì)胞膜的通透性，允許營(yíng)養(yǎng)素的非特異性轉(zhuǎn)移。抗菌肽僅作用于共生菌細(xì)胞膜，而不會(huì)作用于菌胞體膜。菌胞體膜包圍在胞內(nèi)共生菌外，通常與共生菌細(xì)胞膜緊密并列，使得共生菌胞外的有效空間非常小，這樣被宿主修飾后的共生菌產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)素只會(huì)部分流出細(xì)胞，并會(huì)立即被菌胞體膜內(nèi)宿主編碼的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到宿主的細(xì)胞質(zhì)中［62］。盡管該假說(shuō)尚未在昆蟲(chóng)共生體系得到直接驗(yàn)證，但在豆科植物-根瘤菌共生體系中，豆科植物產(chǎn)生的富含半胱氨酸的多肽誘導(dǎo)根瘤菌的細(xì)胞膜和菌胞體膜的修飾，可以促進(jìn)植物細(xì)胞和根瘤菌之間的營(yíng)養(yǎng)交換［76］。

5 共生體系基于營(yíng)養(yǎng)關(guān)系的協(xié)同進(jìn)化

在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，許多單食性昆蟲(chóng)通過(guò)與共生菌建立營(yíng)養(yǎng)聯(lián)系來(lái)改善營(yíng)養(yǎng)攝入不足的狀態(tài)［67］。如在許多昆蟲(chóng)譜系中，胞內(nèi)共生菌逐漸演化出為昆蟲(chóng)宿主提供必需營(yíng)養(yǎng)素的功能。這種共生關(guān)系起因于宿主的營(yíng)養(yǎng)需求，而宿主的持續(xù)進(jìn)化可以促進(jìn)益生菌在世代間的傳遞，或者更好地維護(hù)、支持和控制共生關(guān)系，實(shí)現(xiàn)昆蟲(chóng)與共生菌的協(xié)同進(jìn)化［77］。在開(kāi)放的共生體系中（昆蟲(chóng)-胞外共生菌或體外共生菌），宿主可以從環(huán)境中獲得具有營(yíng)養(yǎng)功能的共生菌，在進(jìn)化過(guò)程中，宿主相應(yīng)的功能基因退化，或通過(guò)基因的水平傳遞獲得相應(yīng)的功能基因而進(jìn)化。同樣地，共生菌之間可以通過(guò)噬菌體介導(dǎo)的基因水平傳遞而進(jìn)化。在封閉的共生體系中（昆蟲(chóng)-專(zhuān)性?xún)?nèi)共生菌），共生菌主要是通過(guò)基因缺失和基因組退化來(lái)進(jìn)化，宿主通過(guò)代謝補(bǔ)償維持兩者的共生關(guān)系，或用新的共生菌代替這些過(guò)度退化的共生菌。在混合系統(tǒng)中（昆蟲(chóng)-兼性?xún)?nèi)共生菌），共生菌大多無(wú)性繁殖，不利于基因的重組，但宿主可以獲得新的共生菌，共生菌之間也可以通過(guò)基因的水平傳遞獲得新的基因［57］。

胞內(nèi)共生菌與昆蟲(chóng)代謝途徑的共享是昆蟲(chóng)與共生菌協(xié)同進(jìn)化的直接證據(jù)。在豌豆蚜中，胞內(nèi)共生菌B.aphidicola依賴(lài)宿主合成的非必需氨基酸，而宿主依賴(lài)B.aphidicola合成的必需氨基酸［67］。協(xié)同進(jìn)化起因于共生菌基因組的退化，但它們保留了與昆蟲(chóng)宿主營(yíng)養(yǎng)需求有關(guān)的基因，如豌豆蚜的B.aphidicola退化的基因組保留了合成宿主必需氨基酸的基因。由于共生菌為昆蟲(chóng)提供必需的營(yíng)養(yǎng)素，昆蟲(chóng)就必須對(duì)共生菌退化的功能進(jìn)行補(bǔ)償，而共生菌基因組的持續(xù)退化迫使宿主不斷地適應(yīng)進(jìn)化［78］。基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，一種蟬（Diceroprocta semicincta）的內(nèi)共生菌Candidatus Hodgkinia cicadicola缺失了幾個(gè)參與tRNA加工的關(guān)鍵基因，但相關(guān)的tRNA仍然得到了加工和修飾，據(jù)此推測(cè)，宿主補(bǔ)償了共生菌缺失的功能和基因［79］。此外，在煙粉虱中，PanBC基因從共生菌Portiera傳遞給煙粉虱，而B(niǎo)族維生素的合成需要PanBC基因和Portiera的協(xié)同合作［80］。

6 小結(jié)和展望

在許多昆蟲(chóng)與共生菌共生體系中，已明確共生菌可以通過(guò)提供營(yíng)養(yǎng)素及其代謝中間物、消化酶等與宿主建立營(yíng)養(yǎng)關(guān)系。宿主通過(guò)控制共生菌的空間分布、群落組成、細(xì)胞裂解、特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)等調(diào)控共生菌營(yíng)養(yǎng)素的生成和轉(zhuǎn)運(yùn)。兩者間的營(yíng)養(yǎng)功能互補(bǔ)成為共生體系協(xié)同進(jìn)化的動(dòng)力。然而，目前缺乏共生菌與宿主之間營(yíng)養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)通量的研究，尚未系統(tǒng)性地明確營(yíng)養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)節(jié)機(jī)制和細(xì)胞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)［65］。共生菌代謝為昆蟲(chóng)宿主營(yíng)養(yǎng)需求而進(jìn)化適應(yīng)的程度（如基因退化程度）及其調(diào)控機(jī)制也還需要進(jìn)一步研究。

基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、顯微技術(shù)和建模技術(shù)的發(fā)展為解決這些問(wèn)題提供了機(jī)遇［81］。可以從基因組和轉(zhuǎn)錄組信息中推斷出某類(lèi)共生菌、共生菌群落及其昆蟲(chóng)宿主代謝的遺傳基礎(chǔ)?；蚪M學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和建模技術(shù)的聯(lián)用有助于揭示共生菌與宿主之間營(yíng)養(yǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)的分子基礎(chǔ)，包括宿主對(duì)共生菌基因組退化的補(bǔ)償方式［65］。內(nèi)共生菌培養(yǎng)方式的創(chuàng)新（昆蟲(chóng)細(xì)胞系和無(wú)菌培養(yǎng)基）和基因工程的應(yīng)用也為研究?jī)?nèi)共生菌的傳播途徑和營(yíng)養(yǎng)功能提供了機(jī)遇［82］。精細(xì)的代謝模型工具、高靈敏度的微量樣品代謝物分析方法以及可以對(duì)共生菌種類(lèi)和代謝功能進(jìn)行精確空間定位的顯微技術(shù)，提高了共生體系代謝物流定性和定量分析的水平。代謝定量模型為未來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究提供了精確的預(yù)測(cè)，并為分析共生體代謝功能網(wǎng)絡(luò)的組織提供了機(jī)會(huì)［83］。

昆蟲(chóng)共生菌能產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì)，如消化酶和功能性營(yíng)養(yǎng)素等，因此可被用于合成氨基酸、維生素、乳酸、抗菌化合物，生產(chǎn)生物燃料和可再生化學(xué)品，處理污水和修復(fù)生態(tài)以及控制農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)［84］。由于昆蟲(chóng)的種類(lèi)、棲境、食性等方面具有多樣性，受此影響，昆蟲(chóng)腸道共生菌菌落的組成也復(fù)雜多變，使其成為各種生物活性物質(zhì)的豐富來(lái)源。共生菌培養(yǎng)和基因技術(shù)的發(fā)展大大提高了從復(fù)雜的共生菌群落中篩選生物工程菌的效率。昆蟲(chóng)共生菌各種功能及其機(jī)制的深入研究，有助于進(jìn)一步提高這些生物活性物質(zhì)的應(yīng)用價(jià)值。