种间竞争驱动猎蝽总科昆虫肠道共生体特异性的精细调控机制

《The ISME Journal》：Strict gut symbiont specificity in Coreoidea insects governed by interspecies competition within Caballeronia strains

本研究针对环境获得性共生系统中宿主如何实现高特异性共生伙伴选择的科学问题，聚焦猎蝽总科昆虫-卡巴莱罗尼亚菌共生体系，通过土壤接种实验和限菌感染系统，揭示了种间竞争在α、β、γ亚群卡巴莱罗尼亚菌株间驱动宿主特异性建立的分子机制。研究发现昆虫中肠隐窝构成多因素、物种特异性的选择性环境，细菌的代谢能力、抗菌肽(AMP)抗性和趋化行为共同决定了竞争成败，为理解昆虫-微生物共生进化提供了新视角。

　　

在昆虫与微生物共同演化的漫长历史中，形成了多种多样的共生关系。有些昆虫通过垂直传播将共生菌传递给后代，而另一些昆虫则需要每一代从环境中重新获取共生伙伴。猎蝽总科(Coreoidea)昆虫属于后者，它们从土壤中招募卡巴莱罗尼亚(Caballeronia)属细菌作为肠道共生体，这些共生体定居在昆虫中肠后部的特殊隐窝区域(M4)，为宿主提供发育、繁殖、免疫和解毒等多种益处。然而，在充满各种微生物的自然环境中，昆虫如何精准识别并选择最适合的共生菌株，同时排除其他竞争者，这一直是共生生物学领域的重要科学问题。

以往研究表明，猎蝽总科昆虫对卡巴莱罗尼亚属细菌具有高度特异性，但这种特异性是否在更精细的亚群水平上存在差异，以及其背后的机制尚不清楚。例如，点蜂缘蝽(Riptortus pedestris)通常与α亚群卡巴莱罗尼亚共生，而西方松籽蝽(Leptoglossus occidentalis)则偏好β或δ亚群，缘蝽(Coreus marginatus)在欧洲种群中主要与β亚群共生。这种差异究竟是由宿主-共生体协同进化决定的，还是仅仅反映了不同地理环境中可利用共生菌的差异？

为了回答这些问题，由巴黎萨克大学Peter Mergaert和国立研究开发法人农业·食品产业技术综合研究机构Tsubasa Ohbayashi领导的研究团队在《The ISME Journal》上发表了他们的最新研究成果。他们通过巧妙的实验设计，揭示了昆虫肠道内卡巴莱罗尼亚菌株间的种间竞争是驱动亚群水平特异性的关键机制。

研究人员主要运用了土壤接种实验、限菌感染系统、竞争指数(CI)分析、表型微阵列(Biolog Phenotype Microarray)技术、抗菌肽(AMP)敏感性测定和运动性分析等关键技术方法。其中土壤样本来源于法国吉夫-sur-Yvette的CNRS校区，昆虫样本包括点蜂缘蝽(R. pedestris)近交系TKS1和从法国两个地点采集的缘蝽(C. marginatus)。

Coreus marginatus和Riptortus pedestris从同一土壤样本中选择不同亚群的Caballeronia菌株

研究人员首先设计了一个接近自然感染条件的土壤接种实验，让两种昆虫从同一法国草原土壤样本中获取共生菌。通过对中肠隐窝内细菌16S rRNA基因的克隆文库分析，他们发现两种昆虫虽然都主要被卡巴莱罗尼亚属细菌定植(分别占87.5%和97.5%)，但在亚群偏好上存在明显差异。

点蜂缘蝽(R. pedestris)主要选择α亚群菌株(占56%)，而缘蝽(C. marginatus)则偏好β亚群菌株(占61%)。这一结果表明，即使在相同环境条件下，不同昆虫物种也对卡巴莱罗尼亚菌株表现出亚群水平的特异性选择。

限菌点蜂缘蝽和缘蝽被α-、β-和γ-亚群Caballeronia菌株定植

为了确认这种特异性是否源于菌株定植能力的差异，研究人员使用荧光标记的菌株进行了限菌感染实验。结果表明，α和β亚群的代表菌株在两种昆虫中均表现出接近100%的定植率，而γ亚群菌株的定植能力稍弱，特别是在缘蝽(C. marginatus)中。这说明测试的所有卡巴莱罗尼亚亚群菌株都具备定植两种昆虫肠道的能力，排除了单纯定植能力差异导致特异性的可能性。

研究人员进一步评估了不同菌株对宿主的适合度益处。在点蜂缘蝽(R. pedestris)中，虽然所有测试菌株都能提高宿主适合度，但α亚群的C. insecticola在体型大小和产卵量方面提供的益处显著优于β和γ亚群菌株。

Caballeronia种间竞争决定隐窝占据

关键发现来自于竞争实验。当研究人员将不同亚群的菌株成对混合后感染昆虫时，观察到了强烈的竞争现象。在点蜂缘蝽(R. pedestris)中，α亚群菌株显著优于β和γ亚群菌株，竞争层次为α > γ > β；而在缘蝽(C. marginatus)中，β亚群菌株占据优势，层次为β > α > γ。

有趣的是，这种强烈的竞争特异性在体外培养条件下并不明显，表明它特异地发生在昆虫肠道环境中。大多数竞争导致"赢家通吃"的结果，这与自然条件下昆虫隐窝通常被单一操作分类单位(OTU)主导的现象一致。

种间竞争动态揭示不同的基础机制

通过分析竞争动态，研究人员发现了三种不同的定植模式：优先效应(先到达隐窝的菌株占据优势)、置换效应(菌株初期共存，随后一方被淘汰)以及混合机制。

例如，C. insecticola(α)与Cm1876(β)的竞争表现为置换机制，而C. insecticola与C. sordidicola(β)或C. glathei(γ)的竞争则显示优先效应。

贡献于种间竞争的细菌因子

分子机制研究表明，细菌的代谢能力、抗菌肽(AMP)抗性和趋化行为共同决定了竞争成败。研究人员测试了C. insecticola中与糖异生(fbp、pps)、趋化(cheA)和AMP抗性(wzm、tpr)相关的基因突变体，发现这些突变体在与γ亚群菌株竞争时都处于劣势。

进一步比较显示，不同卡巴莱罗尼亚菌株在代谢特征、AMP敏感性和趋化能力上存在显著差异。例如，C. insecticola对点蜂缘蝽(R. pedestris)产生的隐窝特异性富含半胱氨酸肽(CCR)具有较强抗性，而β亚群菌株和γ亚群的C. telluris则更为敏感。趋化能力差异与点蜂缘蝽(R. pedestris)中的竞争结果高度相关，但在缘蝽(C. marginatus)中相关性较弱，表明不同宿主可能采用不同的选择机制。

研究结论强调，猎蝽总科昆虫的肠道构成了一个多因素、物种特异性的选择性环境，通过细菌间的种间竞争精细调控共生伙伴的选择。这种特异性不仅体现在属水平上，更在亚群水平上展现出高度专一性。与根瘤菌-豆科植物共生系统不同，点蜂缘蝽(R. pedestris)似乎能够在感染早期就选择出能提供最大适合度益处的菌株，尽管选择过程与获益阶段在时间上是分离的。

这项研究的重要意义在于揭示了环境获得性共生系统中特异性建立的多层次调控机制，特别是种间竞争在精细水平上塑造共生关系的核心作用。研究结果为理解昆虫-微生物共生关系的建立和维持提供了新视角，对探讨共生特异性进化机制具有重要理论价值。