肩突硬蜱内共生体Midichloria与Spiroplasma的遗传多样性及功能演化研究

《ISME Communications》：Genetic and genomic variability of Spiroplasma and Midichloria endosymbionts associated with the tick Ixodes frontalis

本研究针对鸟类寄生蜱Ixodes frontalis内共生菌群组成不清的问题，通过分子筛查与基因组比较分析，揭示了Midichloria mitochondrii和Spiroplasma ixodetis的高流行率（成虫分别为66%和77%）及垂直传播特征。基因组功能注释发现Midichloria保留B族维生素合成通路支持营养共生假说，而Spiroplasma携带RIP毒素家族与ETX/MTX2基因暗示其可能参与宿主防御或生殖调控。该研究为理解蜱类-微生物协同进化提供了新视角。

　　

在自然界中，蜱类作为专性吸血节肢动物，其生存策略与体内微生物群落存在着精妙的协同进化关系。尤其值得关注的是，某些细菌通过垂直传播在蜱类种群中稳定存在，并可能为宿主提供血液中稀缺的营养物质或提供防御功能，这类细菌被称为内共生体（endosymbionts）。然而，不同蜱种的内共生体组成存在显著差异，其演化机制与生态功能仍是当前研究的重点。

以广泛分布于欧洲的鸟类寄生蜱——肩突硬蜱（Ixodes frontalis）为例，尽管其作为病原体（如伯氏疏螺旋体Borrelia burgdorferi sensu lato）潜在传播媒介的公共卫生重要性已获关注，但其内共生菌群的研究却相对滞后。前期小规模筛查曾提示该蜱可能携带Midichloria、Spiroplasma和Rickettsia三类共生菌，但这些共生体在种群中的流行规律、遗传特性及其对蜱生理活动的潜在影响均属未知。更复杂的是，基于线粒体细胞色素c氧化酶亚基I（COI）基因差异，I. frontalis存在A、B两个遗传谱系（haplogroups），它们可能代表不同的隐存种（cryptic species）。这是否会导致共生体组成的分化，亦是一个有趣的科学问题。

为系统解析I. frontalis的共生体群落结构及其生物学意义，由Sophie Melis领衔的国际研究团队在《ISME Communications》上发表了题为“Genetic and genomic variability of Spiroplasma and Midichloria endosymbionts associated with the tick Ixodes frontalis”的研究论文。研究人员在2017年至2022年间，从法国和意大利的29个地点共采集了277只I. frontalis标本（包括成虫、若虫和幼虫），并利用分子生物学与基因组学技术展开多维度分析。

关键技术方法包括：通过COI基因测序进行蜱遗传谱系分型；利用特异性PCR（针对16S rRNA、fliC、gltA等基因）检测Midichloria mitochondrii、Spiroplasma ixodetis和Rickettsia spp.的感染情况；对阳性样本进行基因测序与系统发育分析；对选定的成虫样本进行全基因组测序（结合Illumina和Oxford Nanopore技术），组装共生体基因组并进行比较基因组学分析（包括平均核苷酸一致性（ANI）计算和特定基因家族的存在/缺失分析）；使用贝叶斯层次逻辑回归模型分析共生体流行率与蜱发育阶段、地理来源、遗传谱系间的统计学关联。

蜱遗传谱系与共生体流行特征

对所有采集的蜱样本进行COI基因分型证实，73.3%的个体属于谱系A，26.7%属于谱系B。地理分布分析显示，谱系B在意大利样本中占优势（72%），而在法国样本中仅为18%。分子检测发现，所有样本中均未检出Rickettsia。相比之下，Midichloria和Spiroplasa在成虫中感染率很高（分别为66%和77%），且有46%的成虫同时携带这两种共生体。

然而，在未吸血的未成熟期（若虫和幼虫）中，两种共生体的检出率均显著降低至约18%。对4只雌蜱产卵孵化出的84只实验室幼虫的检测提示了垂直传播的可能性：两只母蜱的后代全部感染Midichloria，一只母蜱的后代全部感染Spiroplasma，另一只母蜱的后代则为阴性。统计模型进一步揭示，两种共生体的存在之间存在微弱的负相关，但蜱的遗传谱系对共生体感染状态的影响较弱。

共生体的分子系统发育与基因组保守性

对阳性样本的共生体基因（Midichloria的16S rRNA和fliC基因，Spiroplasma的16S rRNA基因）进行测序发现，不同个体来源的序列高度一致。Spiroplasma的16S rRNA序列虽存在个别位点的多态性，但系统发育分析确认其全部归属于S. ixodetis，并与来自比利时I. frontalis的序列形成单系群。

基因组分析显示，从不同I. frontalis个体（包括分属A、B谱系的宿主）中获得的S. ixodetis基因组之间ANI值高达99.71%，表明该共生体在蜱种群内遗传变异极低。甚至与来自其他宿主（如介壳虫）的S. ixodetis基因组相比，ANI值也保持在96%以上，支持其为一个广泛分布且近期可能发生过水平转移的物种。同样，新测序的I. frontalis来源的Midichloria基因组与已发表的同种蜱源基因组几乎完全一致（ANI 99.99%），但不同蜱种（如欧洲的Ixodes、Hyalomma和澳大利亚的I. holocyclus）来源的Midichloria基因组间ANI值较低，提示可能存在多个不同的Midichloria物种。

基因组功能内容揭示潜在共生机制

比较基因组学分析聚焦于与共生功能相关的关键基因。在Midichloria mitochondrii的基因组中，完整保留了生物素（biotin）和叶酸（folate）等B族维生素合成通路的关键基因，这强烈支持其作为营养共生体（nutritional mutualist）的角色，为宿主补充血液膳食中缺乏的必需维生素。

而在S. ixodetis的基因组中，则鉴定出多个与宿主互作相关的毒素基因家族，包括核糖体失活蛋白（Ribosome-inactivating proteins, RIPs）家族、孔形成毒素Etx/MTX2基因、以及部分同源于Spaid-like（与雄性致死现象相关）的基因结构域。RIPs蛋白在其他Spiroplasa中已被证实能提供对寄生蜂和线虫的防御功能。尽管完整的Spaid基因未被发现，且有限的雄性个体检测均为阳性，排除了典型的雄性致死（male-killing）可能性，但这些毒素基因的存在暗示S. ixodetis可能作为防御性共生体（defensive symbiont）或通过其他机制影响宿主生殖。

本研究通过综合生态采样、分子检测和基因组学分析，揭示了肩突硬蜱（I. frontalis）与Midichloria mitochondrii和Spiroplasma ixodetis之间形成的一种稳定但非固定存在的共生关系。两种共生体在成虫中高流行、可垂直传播，且在蜱种群内遗传变异极低。功能基因组证据表明，Midichloria主要扮演营养补充者的角色，而Spiroplasma则可能通过其特有的毒素库行使防御或潜在的生殖调控功能。两种共生体间存在的微弱竞争关系，以及它们在不同蜱类中迥异的流行模式，挑战了“一种蜱-一种共生体”的简单范式，凸显了蜱-微生物互作网络的复杂性。该研究为理解内共生体在节肢动物适应性进化中的多样化策略提供了重要案例，也为探索蜱类种群调控和病原传播阻断的新靶点奠定了理论基础。