共生菌在树蝉营养生态中的多样性与功能演化

《Applied and Environmental Microbiology》：Diversity and genomics of bacteriome-associated symbionts in treehopper Darthula hardwickii (Hemiptera: Aetalionidae) and implications of their nutritional functions

本研究揭示了树蝉共生菌的多样性、分布、垂直传播机制及其营养功能演化，为理解昆虫-共生菌互作提供了新见解（Auchenorrhyncha）

　　在昆虫的进化历程中，共生菌与宿主之间形成了复杂而精妙的协同进化关系。这种关系在以植物汁液为食的半翅目昆虫中表现得尤为突出。这些昆虫依赖共生菌来补充其饮食中缺乏的必需氨基酸（EAAs），而共生菌也依赖昆虫提供的稳定生存环境。本研究聚焦于树蝉（Aetalionidae）这一独特类群，深入探讨了其共生菌的多样性、分布、垂直传播机制以及营养功能演化，揭示了共生菌在昆虫营养生态中的重要作用及其演化规律。 树蝉共生菌的多样性与分布 树蝉（Darthula hardwickii）体内共生着多种微生物，包括细菌和真菌。研究发现，树蝉的共生菌主要包括Karelsulcia、酵母样真菌（YLS）和Tisiphia。其中，Karelsulcia主要分布在树蝉的细菌体（bacteriomes）中，YLS则主要存在于脂肪体（fat bodies）中，而Tisiphia在细菌体和脂肪体中均有分布。这种共生菌的分布模式与树蝉的营养需求密切相关。细菌体是树蝉体内专门用于容纳共生菌的器官，而脂肪体则参与能量储存和代谢调节。通过荧光原位杂交（FISH）和透射电子显微镜（TEM）技术，研究人员详细观察了这些共生菌在树蝉体内的分布情况，发现它们在树蝉的生殖系统中也存在，并通过垂直传播的方式传递给后代。 共生菌的垂直传播机制 共生菌的垂直传播是维持昆虫与共生菌长期稳定共生关系的关键。研究发现，Karelsulcia和YLS能够通过树蝉的卵巢传递给后代。在树蝉的卵巢中，共生菌会进入卵子的卵黄中，但与某些半翅目昆虫不同，它们并不会在末端卵细胞中形成“共生菌球”。这种独特的垂直传播方式可能与树蝉的共生菌功能演化有关。在传播过程中，Karelsulcia细胞会先在细菌体细胞内膨胀，然后移动到细胞间隙中紧密排列，最终被释放到血淋巴中。YLS细胞则通过脂肪体细胞膜的分裂释放到血淋巴中。这些共生菌随后通过卵泡细胞的细胞质进入卵巢，最终在卵子的围卵隙中聚集，维持在卵子和孵化后的幼虫体内。 共生菌的营养功能演化 共生菌在树蝉的营养生态中扮演着重要角色。通过对Karelsulcia基因组的分析，研究人员发现，树蝉的Karelsulcia菌株（Karelsulcia-DH）在色氨酸（tryptophan）合成途径中丢失了两个关键基因（trpF和trpC），并且其余五个基因也发生了截短（trpE、trpD、trpG、trpA和trpB）。这表明Karelsulcia-DH可能已经失去了为宿主提供色氨酸的能力。然而，树蝉仍然能够获取色氨酸，这可能是因为YLS能够合成色氨酸并将其提供给树蝉。YLS在树蝉中的存在是首次被报道，这一发现为理解树蝉共生菌的功能演化提供了新的线索。此外，Tisiphia虽然在树蝉体内存在，但其基因组中与色氨酸合成相关的基因也存在缺失或截短，因此它可能并不参与色氨酸的合成。Tisiphia的基因组中包含一些与EAAs合成相关的基因，这些基因可能与Karelsulcia-DH的基因形成互补，但目前尚不清楚Tisiphia是否能够将这些氨基酸提供给宿主。 共生菌的系统发育分析 通过对Karelsulcia的系统发育分析，研究人员发现，Aetalionidae可能起源于Membracidae。这一结论与基于宿主昆虫基因组数据的一些近期系统发育分析结果一致。Karelsulcia的系统发育树显示，Aetalionidae的Karelsulcia菌株与Membracidae的Karelsulcia菌株聚在一起，表明它们之间存在密切的亲缘关系。这一发现为理解树蝉的系统发育地位提供了新的视角，并强调了共生菌在昆虫进化研究中的潜在价值。 研究意义与展望 本研究不仅揭示了树蝉共生菌的多样性、分布、垂直传播机制及其营养功能演化，还为理解昆虫与共生菌之间的协同进化关系提供了新的见解。这些发现对于深入理解昆虫的营养生态、共生菌的功能演化以及昆虫与共生菌之间的相互作用具有重要意义。未来的研究可以进一步探索共生菌在昆虫进化中的作用机制，以及它们如何影响昆虫的适应性和多样性。此外，本研究还为开发基于共生菌的昆虫控制策略提供了理论基础，这对于农业害虫的管理具有潜在的应用价值。