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这篇研究聚焦于节肢动物中广泛存在的雄性致死共生菌Wolbachia。通过对爪哇岛日惹地区的大绢斑蝶（Hypolimnas bolina）研究发现，wBol1Y 菌株可抵抗宿主抑制系统，其独特的前噬菌体元件或为关键。这一发现揭示了雄性致死机制的进化，为理解共生菌与宿主的关系提供新视角。
研究背景
可遗传微生物在节肢动物中普遍存在，对宿主有着多样的生态和进化影响。一些微生物是有益伙伴，能提供多种服务，如拓展合成能力、防御天敌、提高抗干燥和耐热能力等，这些作用影响着宿主的生态位和进化。然而，部分微生物会通过操纵宿主的性别比例来增强自身传播，其中雄性致死（male-killing）现象较为突出。雄性致死共生菌能在多种具有不同性别决定系统的节肢动物宿主中存在，它们通过直接 “操纵” 宿主的性别决定系统来实现雄性致死，例如部分Wolbachia和Spiroplasma会干扰或利用剂量补偿系统，还有的会 “feminize” 雄性性别决定级联反应 。宿主为应对雄性致死共生菌的影响，会产生抑制突变来恢复雄性的生存，这是一种快速的自然选择事件。而共生菌为逃避抑制，也可能进化出新的机制，从而形成宿主与共生菌之间的进化军备竞赛。本研究以大绢斑蝶（Hypolimnas bolina）为研究对象，该蝴蝶曾经历性别比例的剧烈变化，之前存在的雄性致死Wolbachia（wBol1）在一些地区因宿主抑制而消失，但在日惹地区却存在着持续的极端雌性偏向的种群性别比例，这一现象促使研究人员探究其背后的机制。
研究结果
- 日惹大绢斑蝶种群雄性致死的极端流行：2016 年至 2024 年，研究人员对日惹地区的大绢斑蝶进行了长达 8 年的观察，发现该地区蝴蝶种群呈现出显著的雌性偏向（209 只雌性 vs. 4 只雄性），与历史上萨摩亚和斐济地区观察到的强烈性别比偏斜相似。而日本地区的大绢斑蝶则呈现雄性偏向。进一步研究发现，日惹地区野外采集的雌性大绢斑蝶多为未交配状态，且已交配并产卵的雌性所产后代均为雌性。经检测，日惹地区所有雌性大绢斑蝶感染的Wolbachia均为wBol1，且用利福平处理雌性蝴蝶后，其后代出现了雄性，这表明Wolbachia与该地区的雄性致死现象密切相关。
- 大绢斑蝶中密切相关的Wolbachia菌株存在噬菌体相关的基因组差异：对日本和印度尼西亚的大绢斑蝶建立的所有同雌系进行检测，发现均感染了雄性致死的wBol1 Wolbachia，且其分型基因序列与先前描述的wBol1 相同。通过对雄性致死宿主系（wBol1Y）和正常性别比宿主系（wBol1J）的基因组进行测序和分析，发现两者基因组高度相似，但wBol1Y 基因组携带一个独特的 63-kb 插入，与一种在茶卷叶蛾（Homona magnanima）雄性致死Wolbachia（wHm-t）中发现的雄性致死相关前噬菌体 WOwHm-t76 高度相似，该插入包含了Hb-oscar基因和四个wmk基因。
- wBol1Y 变体在大绢斑蝶中的雌性特异性感染：通过 PCR 检测发现，日惹地区的所有大绢斑蝶均感染了wBol1 Wolbachia，但只有雌性蝴蝶携带Hb-oscar基因，这表明wBol1Y 在日惹地区呈现雌性特异性感染。对蝴蝶进行重测序后发现，日惹地区存在wBol1Y 和wBol1J 两种类型的Wolbachia，且wBol1J 型在两性中均存在，这可能是由于雄性致死抑制因子的存在，而wBol1Y 型仅存在于雌性中并表现出雄性致死现象。
- wBol1Y 与大绢斑蝶线粒体单倍型 6 的强相关性：分析感染wBol1Y 和wBol1J 的大绢斑蝶的线粒体单倍型，发现wBol1J 感染的宿主均为单倍型 1，而wBol1Y 感染的雌性均为单倍型 6。通过对线粒体基因组的系统发育分析进一步证实了Wolbachia基因型与线粒体单倍型之间的强关联。
- wBol1Y 对大绢斑蝶雄性致死抑制因子不敏感：日惹地区雄性蝴蝶中存在wBol1J 型感染，表明该地区存在雄性致死抑制因子，但wBol1Y 主导的宿主种群仍保持雄性致死表型，说明wBol1Y 对该抑制因子不敏感。通过杂交实验发现，wBol1Y 感染的雌性与wBol1J 感染的雄性杂交后代均为雌性，且卵孵化率约为 50%，这表明wBol1Y 不受抑制因子影响，且两者之间不存在细胞质不相容性。
- wBol1Y 诱导大绢斑蝶雄性胚胎的雌性性别决定并损害剂量补偿：研究Wolbachia感染对大绢斑蝶性别决定基因表达和剪接模式的影响，发现wBol1Y 感染的胚胎会诱导雌性类型的dsx剪接，且无论是否存在 W 染色质，均会出现这种情况。同时，wBol1Y 感染的雄性胚胎中 Z 染色体连锁基因的表达高于雌性，这表明wBol1Y 损害了宿主的剂量补偿系统，导致雄性胚胎死亡。
- 细胞实验表明wBol1J 和wBol1Y 可改变鳞翅目性别决定级联反应：利用鳞翅目细胞培养系统（OsM1 细胞系）研究wBol1J 和wBol1Y 对性别决定系统的影响，发现两种变体均能使细胞表达雌性类型的剪接变体，但wBol1Y 诱导的性别决定级联反应的 “feminization” 比wBol1J 更快。这表明两者都具有抑制鳞翅目雄性化途径的能力。
- Hb-oscar在体外具有诱导 “feminization” 的活性：wBol1Y 特有的前噬菌体元件携带的Hb-oscar基因，与先前在H. magnanima中诱导雄性致死的Hm-oscar基因相同。通过在 Sf9 细胞中进行转染实验，发现Hb-oscar能够抑制Hbmasc的雄性化功能，使细胞恢复到雌性类型的表达，这表明Hb-oscar在大绢斑蝶中可能作为雄性致死因子发挥作用。
研究讨论
- 宿主物种内雄性致死机制的进化：本研究表明，在大绢斑蝶这一宿主物种内，存在多种雄性致死机制。wBol1Y 与其他被抑制的wBol1 变体密切相关，但具有独特的雄性致死特性，对雄性致死抑制因子不敏感。其差异可能源于携带的前噬菌体元件，该元件包含的Hb-oscar等基因可能是导致其不被抑制的关键因素。这一发现丰富了人们对雄性致死机制在宿主物种内进化的认识。
- 雄性致死菌、宿主抑制与进化军备竞赛：雄性致死共生菌与宿主之间的进化军备竞赛在大绢斑蝶中得到体现。wBol1Y 的出现可能是对宿主抑制的一种进化响应，其获得的前噬菌体区域可能使其重新建立了雄性致死能力。尽管目前尚不清楚wBol1Y 是在抑制因子传播后进化产生还是之前就存在，但这一现象为理解共生菌与宿主之间的动态进化关系提供了重要线索。未来对Wolbachia基因组和抑制位点的进一步研究，将有助于揭示这一进化过程的细节。}
