基因组退化驱动蝉类内共生体嵌套与替代：揭示营养内共生演化的新范式

《Nature Communications》：Genome degradation results in nested symbiosis and endosymbiont replacement in cicadas

本研究揭示了蝉类与两种古老内共生细菌Hodgkinia和Karelsulcia的共进化关系，发现高度退化的Hodgkinia会嵌入Karelsulcia形成嵌套共生结构，同时酵母样真菌共生体(YLS)逐步替代细菌共生体的动态过程。该研究通过比较基因组学、共进化分析和显微观察，首次在Chremistica ochracea种群中发现三型共生体共存现象，为理解内共生体替代机制和细胞器起源提供了新视角。

　　

在昆虫与微生物的共生关系研究中，蝉科昆虫为理解内共生系统的演化提供了独特模型。这些以植物汁液为食的昆虫依赖体内共生微生物合成必需氨基酸和维生素。其中最古老的双重共生系统由Bacteroidota门的"Candidatus Karelsulcia muelleri"和β-变形菌门的共 obligate 共生体（蝉类中为"Ca. Hodgkinia cicadica"）组成，它们共同为宿主合成10种必需氨基酸。然而，随着进化时间的推移，这些内共生体面临基因组退化和功能丧失的挑战。

研究显示，Hodgkinia的基因组在蝉类不同谱系中经历了不同程度的退化，甚至分裂成多个微型环状DNA。这种基因组不稳定性给宿主的跨代传播带来了难题。与此同时，许多蝉类谱系中出现了酵母样真菌共生体(YLS)替代Hodgkinia的现象。但是，共生体替代的具体过程以及退化共生体的最终命运仍是未解之谜。

西北农林科技大学植物保护学院周金瑞等研究人员在《Nature Communications》上发表了题为"Genome degradation results in nested symbiosis and endosymbiont replacement in cicadas"的研究论文，通过对133种蝉的系统研究，揭示了共生体替代过程中的关键环节——高度退化的细菌共生体可嵌入其伙伴共生体形成嵌套结构，从而延缓被完全替代的进程。

研究人员采用多维技术手段展开研究，包括：对65种蝉（236个个体）进行样本采集和形态鉴定；通过荧光原位杂交(FISH)和透射电镜(TEM)观察共生体分布；利用宏基因组测序和比较基因组学分析17种蝉和23种Karelsulcia的基因组特征；基于线粒体基因(cox1、cox2、cob)和核基因进行系统发育分析；通过限制性片段长度多态性(RFLP)克隆检测Hodgkinia多样性。

共进化分析揭示蝉与共生体的演化历史

系统发育分析表明，蝉类与Karelsulcia的 phylogeny 高度一致，支持宿主与共生体的共分化关系。尽管在少数支系中存在不完全一致的情况，这可能与Hodgkinia的多次独立丢失和YLS的替代事件相关。

Hodgkinia与宿主蝉的共分化模式

基于相对保守的rpoB基因(RNA聚合酶β亚基)构建的系统发育树显示，不同蝉科亚科中的Hodgkinia形成单系群，其进化关系与宿主蝉高度一致，表明Hodgkinia曾单一感染蝉类祖先并随之共分化。

真菌共生体的系统发育关系

线粒体基因组分析表明，所有蝉类相关的真菌共生体都属于Ophiocordyceps属，形成单系群。YLS的线粒体基因组大小(19-144 kb)与内含子数量密切相关，自由生活的Ophiocordyceps真菌通常比YLS含有更多内含子，表明共生关系驱动了真菌线粒体基因组内含子的适应性演化。

共生体协同提供必需营养素

基因组功能注释显示，Karelsulcia保留合成8种必需氨基酸的基因，Hodgkinia负责合成甲硫氨酸和组氨酸。此外，Hodgkinia还含有钴胺素、叶酸和核黄素合成相关基因。兼性共生体Arsenophonus、Wolbachia等也贡献B族维生素和部分必需氨基酸的合成能力，形成了复杂的营养互补网络。

新型共生体分布模式与嵌套共生

研究发现了五种共生体分布模式，最具突破性的是在部分Chremistica ochracea个体中观察到Hodgkinia、Karelsulcia和YLS三者共存，其中高度退化的Hodgkinia细胞位于Karelsulcia的细胞质内，形成罕见的嵌套共生结构。

蝉类与三种专性内共生体的进化历史

通过分歧时间估算，蝉科最近共同祖先生活于约9638万年前，最早的共生体替代事件发生在至少4222万年前。研究重建了共生体在蝉类中的演化轨迹：从祖先的Karelsulcia-Hodgkinia双重共生系统，到Hodgkinia基因组退化后YLS的招募，最终形成Karelsulcia-YLS的稳定共生系统。

研究结论表明，蝉类内共生系统的演化远比以往认识的更为复杂动态。Hodgkinia嵌入Karelsulcia形成的嵌套共生可能是共生体替代过程中的关键适应策略，为退化共生体提供了"避难所"，同时保留了必要的代谢通路。这种嵌套结构可能通过三种机制演化而来：提高垂直传播效率、促进基因产物交换或随机突变和遗传漂变的结果。

该研究首次在种群水平揭示了内共生体替代的进行中案例，为理解宿主如何摆脱对古老共生体的依赖以及细菌共生体被真菌共生体替代的进化过程提供了新见解。蝉类长期地下生活史可能促进了与土壤真菌的反复接触，为共生体替代创造了条件。这些发现不仅增进了对昆虫-微生物共进化关系的认识，也为细胞器的内共生起源研究提供了重要参考。