两种蜡蝉内共生菌群揭示与“Candidatus Mirabilia symbiotica”的古老共生关系

本综述通过比较两种蜡蝉（Cixiidae）的内共生菌群，揭示了其与“Candidatus Mirabilia symbiotica”的古老共生关系。研究展示了多伙伴共生系统的功能稳定性，尽管在进化过程中共生伙伴发生变化，但营养互补功能（如必需氨基酸和B族维生素合成）得以保留。这一发现深化了对昆虫-微生物共生进化机制的理解，并为研究营养共生系统的适应性提供了新视角。

　　

引言

昆虫与微生物的共生关系在进化与生态适应中扮演关键角色。尤其以吸食植物汁液的半翅目昆虫（如蝉、叶蝉和蜡蝉）最为典型，它们依赖内共生菌提供食物中缺乏的营养物质。蜡蝉作为极其多样化的昆虫类群，其多伙伴共生系统的研究仍相对有限。本研究聚焦于两种蜡蝉（Cixius wagneri 和 Pentastiridius leporinus）的内共生菌群，揭示其共生系统的组成、功能和进化 dynamics。

材料与方法

样品收集与处理

C. wagneri 样品采集自法国多尔多涅地区的草莓田，P. leporinus 则来自法国勃艮第和瑞士吉利的甜菜田。这些地区均是植物病原体“Candidatus Phlomobacter fragariae”和“Candidatus Arsenophonus phytopathogenicus”的爆发区。DNA提取采用CTAB法，确保样品质量。

宏基因组测序

采用Oxford Nanopore长读长和Illumina短读长混合测序策略。长读长测序使用SQK-LSK 109和110试剂盒，在MinION测序仪上完成。短读长测序在Illumina Novaseq平台进行，产生2×150 bp paired-end reads。数据经过质量修剪和过滤，保留Q30以上的读段。

内共生菌基因组组装

使用Megahit组装Illumina reads，并通过BlobTools识别和去除宿主读段。剩余读段用Flye和Unicycler进行组装，获得内共生菌的基因组草图。通过Blast鉴定内共生菌contigs，并使用Medaka和Polca进行抛光。组装质量通过读段映射和CheckM2评估。

功能与进化分析

基因组注释采用NCBI PGAP pipeline。功能分析包括COG分类、KEGG通路注释和代谢途径重建。系统发育分析基于单拷贝直系同源基因，使用Orthofinder、Muscle和IQ-TREE构建最大似然树。平均核苷酸一致性（ANI）和16S rRNA基因分析用于物种鉴定。

结果

内共生菌群组成

P. leporinus 携带三种主要内共生菌：“Candidatus Karelsulcia muelleri”、“Candidatus Vidania fulgoroideae”和“Candidatus Purcelliella pentastirinorum”。而 C. wagneri 则携带 Karelsulcia、Vidania 和一个未知的Gammaproteobacterium，后者被命名为“Candidatus Mirabilia symbiotica”。基因组比较显示，Mirabilia的基因组更小（165,642 bp），GC含量更低，且与Purcelliella无同线性。

代谢互补性

在两种蜡蝉中，Karelsulcia负责合成三种支链必需氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸），Vidania负责合成其余七种必需氨基酸。Purcelliella和Mirabilia则提供非必需氨基酸半胱氨酸和部分B族维生素（如核黄素和生物素）。尽管共生伙伴不同，但代谢功能高度保守。

系统发育与进化

核心基因组系统发育分析表明，Karelsulcia和Vidania与宿主系统发育一致，形成按宿主科级分类的支系。Mirabilia与Sternorrhyncha（如蚜虫和粉虱）及甲虫的内共生菌亲缘关系更近，而Purcelliella仅限于Cixiidae科。16S rRNA基因分析证实Mirabilia是一个新属，与Purcelliella明显不同。

Rickettsia共生菌的发现

P. leporinus 中还发现一种属于Meloidae群的Rickettsia菌株。其基因组大小为1.33 Mbp，编码1272个蛋白基因，具有典型的Rickettsia特征，如代谢能力极度简化，但拥有多种转运蛋白和IV型分泌系统，可能用于与宿主细胞的相互作用。

讨论

本研究揭示了蜡蝉内共生菌群的多样性和功能稳定性。尽管共生伙伴在进化过程中发生变化（如Mirabilia与Purcelliella的替代），但营养互补功能得以保留。Mirabilia的极简基因组表明其是一种更古老的共生菌，而Purcelliella则可能在Pentastirinian谱系中替代了Mirabilia。此外，Rickettsia的发现扩展了对蜡蝉共生菌多样性的认识，其功能可能超出营养提供，涉及宿主-微生物互作。

结论

蜡蝉的内共生菌系统展示了功能稳定性与伙伴更替的进化动态。未来研究需扩大样本量，涵盖更多Cixiidae物种，以全面理解共生系统的进化历程和生态适应。新发现的“Candidatus Mirabilia symbiotica”和Rickettsia菌株为研究昆虫-微生物共生提供了新的模型系统。