共生体介导的昆虫抗药性：机制、生态遗传与管理权衡

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Symbiont-mediated insecticide resistance in insects: mechanisms, ecological inheritance and management trade-offs

　　

摘要

杀虫剂抗性历来被认为源于昆虫基因组的变异，包括靶标位点突变、解毒能力增强和渗透率降低。然而，当相关微生物转化杀虫剂或改变宿主生理时，这一框架是不完整的。过去十年的证据表明，细菌共生体通过三条反复出现的途径影响杀虫剂敏感性：直接降解杀虫剂化合物、调控宿主解毒和应激通路，以及涉及多种微生物和宿主的分布式代谢接力。这些途径在传播方式、稳定性和进化动态上各不相同。在部分已验证的系统中，从环境中获得的降解菌可以在一代昆虫内降低敏感性，而垂直传播的共生体则可能将微生物效应与宿主谱系偶联；但任一模式单独都不能确立正式的抗性或田间持久性。效应具有情境依赖性：共生体可能对不同宿主产生保护或敏化作用，对抗某一化学杀虫剂的保护可能增加苏云金芽孢杆菌的致死率。我们使用五级特定论断的证据水平来评估微生物的贡献，范围从相关性到明确的微生物操纵、体内杀虫剂转化以及基因水平的扰动配合特异性表型拯救。我们进一步考察了宿主、环境和群落因素如何塑造效应大小，并识别在哪些条件下微生物标志物经过前瞻性田间验证后可改善抗性监测，且仅当它们提供超越宿主标志物的预测价值时。有效转化需要定量化分配宿主与微生物效应、菌株级诊断和生态可持续的干预措施。

引言

杀虫剂抗性的进化威胁着作物保护和媒介控制。大多数机制性工作聚焦于昆虫基因组。靶标位点替换降低杀虫剂结合，基因扩增或调控变化增加解毒酶表达，角质层变化减缓渗透，行为变化减少暴露。这些机制仍然核心，但它们不能解释每一种抗性表型。在若干系统中，杀虫剂敏感性在抗生素处理后发生变化，或在肠内容物转移、接种培养的细菌或破坏微生物代谢物后发生变化。这些观察表明，表达抗性的单位可以超出昆虫本身。

与昆虫相关的微生物占据不同的生态和解剖位点。专性胞内共生体通常通过卵传播，其基因组可能高度缩减。肠道细菌可能通过母体或社会性传播、从食物或土壤中反复获得，或暂时通过肠道。这些差异很重要，因为当共生体垂直传播时，微生物性状可能类似于宿主遗传；但当生物体从环境获得时，它可以作为一种生态暴露来传播（Douglas, 2015）。因此，改变敏感性的表型可能由昆虫、微生物、它们的相互作用或更大的群落编码。

最清晰的例子报道于豆象*吴氏豆象*（*Riptortus pedestris*）。若虫每代从土壤中获取*Burkholderia*。能够降解乐果的菌株定殖肠道并保护昆虫，而反复施用乐果会富集土壤中兼容的降解细菌（Kikuchi et al., 2012; Tago et al., 2015）。这一发现表明，环境获取可以在被测系统中改变宿主敏感性，而不需要*de novo*宿主突变；但它并不能确立宿主突变的缺失或无关紧要。后续研究将这一现象扩展到有机磷、新烟碱类、拟除虫菊酯类、双酰胺类、几丁质合成抑制剂和磷化氢，涵盖半翅目、鳞翅目、双翅目和鞘翅目。

最近的综述已编目了微生物解毒、杀虫剂生物活化和微生物对宿主通路的调控（Blanton and Peterson, 2020; Peterson, 2024; Malook et al., 2025; Lv et al., 2026）。更广泛的微生物组综合也强调了昆虫相关微生物可以重塑应激生理、生态广度和管理结果，超越任何单一杀虫剂案例（Zhang et al., 2026）。该领域的一个关键进展是建立一个基于证据的框架，以标准化共生体介导杀虫剂抗性的机制判断和应用研究。这是一个将因果关系机制与微生物组相关性区分开来的框架，解释了为什么同一种微生物可以在一种宿主-化学组合中提供保护而在另一种中敏化，并确定了微生物效应可能的边界条件。我们通过将证据强度与传播方式、生态稳定性、解剖位置和后果联系起来来解决这一空白。

该领域的快速增长造成了解释上的模糊性。抗性和易感昆虫的微生物组组成通常不同，但这种差异可能是抗性的结果而非原因。抗生素扰动多种类群，并可直接改变昆虫营养、线粒体、免疫和发育。在培养基中降解杀虫剂的细菌可能在宿主内以相关速率不降解。反之，相对丰度较低的类群如果产生强效代谢物或调控宿主通路，可能具有大效应。因此，有用的综合必须评估因果关系是如何确立的，而不是简单地统计微生物组差异的报告数量。

我们不编目受牵连的类群，而是按因果证据的强度和微生物效应可合理改变杀虫剂敏感性的生态条件来组织文献。我们优先考虑支持因果推断、机制验证和管理转化的研究，同时将基于相关性和仅培养的保留为边界案例而非将其视为同等证据。这种方法区分了机制上得到支持的微生物贡献和仍然暂定的贡献，并确定了生态重复出现、田间持久性和实际部署所需的条件。本综述发展了一个以证据为中心的共生体介导杀虫剂抗性（SMIR）框架。我们广泛地使用"共生体"一词指代持续性或反复获得的、可测量地影响昆虫表型的微生物，同时认识到驻留性和互利性必须通过证明而非从测序推断。我们聚焦于与昆虫宿主相关的细菌以及在农业或公共卫生中使用的合成杀虫剂。我们讨论微生物对*B. thuringiensis*的影响，当它们暴露管理权衡时，但不尝试一般综述病原抗性、植物化感物质或真菌共生。

小节摘要

什么算作共生体介导的敏感性效应？

SMIR是指依赖于与昆虫相关的微生物或微生物群落的杀虫剂存活率增加或敏感性降低。这一定义有三个组成部分：杀虫剂表型必须在宿主中测量，微生物群落、菌株或功能必须在受控或良好表征的方式下不同，并且证据必须支持从微生物状态到表型的方向性。在宏基因组中检测到降解基因……

因果关系机制

我们区分了三条共生体可能改变杀虫剂敏感性的反复出现的因果途径：微生物直接分解代谢、微生物对宿主生理的调控，以及分布式代谢接力。这些途径可以在同一宿主中共存，并在化学特异性、传播和管理含义上有所不同。表1确定了每个系统中支持的因果步骤；机制类别并不意味着该类别内的每项研究达到了相同的证据水平。

效应的方向不是固定的

"共生体介导的抗性"这一短语可能暗示微生物在化学暴露下对昆虫一律有益。数据否定了这一假设。共生体可以通过消耗保护性营养物质、抑制宿主解毒、产生毒性代谢物或在屏障受损后成为机会性病原体来增加敏感性。相互作用的符号取决于宿主基因型、微生物菌株、杀虫剂和生态背景。

生物活化显示了为什么微生物……

获取、传播和生态重复出现

共生体获取的方式影响微生物对敏感性的效应可能多快出现以及它如何持久。垂直传播的共生体随母系谱系遗传，但与宿主谱系的稳定关联本身不能确立敏感性表型的遗传。在获取、功能保持和宿主定殖的系统中，环境获得的共生体可能在一代内于土壤、植物和昆虫之间移动……

温度

微生物密度和功能通常比宿主遗传抗性机制对温度更敏感。在*褐飞虱*（*N. lugens*）中，高温降低共生体依赖的解毒代谢并增加杀虫剂敏感性（Zhang et al., 2021）。温度可以影响共生体复制、传播、酶动力学和宿主免疫。它也可以独立改变杀虫剂毒性。因此，实验应使用析因设计以分离温度对……的直接效应

证据到管理的映射

管理提案在证据基础方面有所不同（表1）。机制上得到支持的例子，如*吴氏豆象*中*mpd*依赖的乐果保护和*小菜蛾*（*P. xylostella*）中的化学-Bt权衡，证明有理由进行针对性实验而非立即部署。微生物生物标志物、化学-生物轮换和基于饮食的操纵是需要前瞻性田间验证的假说。噬菌体介导的SMIR逆转、工程化害虫共生体和保护性的转移……

因果和预测性SMIR的研究议程

六个优先事项可以推动该领域从案例报告走向预测生物学。首先，研究应将因果检验与所提出的论断相匹配（第2.1节；表1）。明确的微生物丧失和获得应关联到宿主剂量-反应生物测定。体内转化声明需要化学验证，而基因水平声明需要靶向扰动和特异性表型拯救。仅必要性检验应与拯救实验区分。稳健性应在……中测试

结论

共生体介导的杀虫剂抗性由越来越多的因果系统支持，但它不是抗性昆虫与易感昆虫之间微生物组差异的普遍解释。最强证据来自超越测序和抗生素，进入分离操纵、化学示踪和遗传干预的研究。这些研究揭示了三个反复出现的途径：微生物直接分解代谢、宿主解毒或应激生理的调控，以及分布式……

CRediT作者贡献声明

邵勇奇：写作–审阅与编辑。张鹏君：写作–原稿撰写。张云华：写作–原稿撰写。

利益冲突声明

作者声明不存在可能被视为影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作由中国国家博士后科学基金（2025M783826）、国家自然科学基金委员会（32302393）、浙江省自然科学基金（LZ26C140005）和杭州师范大学科技创新团队项目（TD2025005）资助。

张云华|邵勇奇|张鹏君

杭州师范大学生命与环境科学学院，杭州311121，中国