米乐m6官方网站（AIST）生物生产研究所（研究所所长：蒲形洋一；所长：野间保）的环境生物功能研究组菊地义智（研究员）、共生进化和生物功能研究组武间深津（组长）以及其他人与早津雅人（高级研究员）合作国立农业环境科学研究所（NIAES）环境生物功能部研究员）和加奈子（研究员），冲绳县农业研究中心（OPARC）植物病虫害管理课长山敦（研究员，所长：坂本盛明）等人发现了豆蝽（行人裂口鱼)是一种攻击大豆作物且难以控制的害虫，它可能通过从土壤中获取杀虫剂降解细菌并让它们在体内共生而产生杀虫剂抗药性。

迄今为止，全球已有约 500 种害虫对杀虫剂产生抗药性的报道，给农业和公共卫生造成了严重问题。传统上认为，杀虫剂抗性仅由害虫本身的基因决定。然而，这一新发现颠覆了这一传统认识，为害虫抗药性的进化以及规划害虫防治策略提供了新的视角。

结果将在线发表在美国学术期刊上，美国国家科学院院刊，2012 年 4 月 24 日（日本标准时间）。

图 1：大豆叶上的豆虫

尽管存在环境负荷和农用化学品残留问题，但近年来，随着气候变化和人口增长引起对全球粮食短缺的严重担忧，杀虫剂对于稳定粮食供应变得越来越重要。此外，杀虫剂的使用对于控制按蚊（疟疾媒介）和采采蝇（睡眠病媒介）等吸血卫生害虫以及白蚁和蟑螂等家庭昆虫已变得不可或缺。

然而，人们早就知道，如果连续使用单一杀虫剂，经常会出现具有杀虫剂抗性的害虫。据报道，目前已有500多种农业、卫生、家庭等害虫对杀虫剂产生了抗药性，这是一个严重的问题。作为抗药性机制，已报道了各种例子，包括解毒能力增强和靶蛋白结构变化，但传统的理解是，在每种情况下，杀虫剂抗性都是由昆虫本身基因调节的特征。由于许多害虫体内都存在共生微生物，因此有人提出这些共生微生物可能会影响其宿主昆虫的杀虫剂抗药性，但迄今为止尚未得到证实。

抗药性害虫的出现，与医疗机构中多重耐药病原体的问题类似，是人类杀虫剂与产生抗药性的害虫之间的一场永无休止的战斗。由于新型杀虫昆虫的开发需要大量的时间和金钱，因此防止昆虫产生抗药性非常重要，而为此需要解决的最大问题是了解抗药性产生的机制。

AIST 一直在开展各种研究，着眼于昆虫体内共生微生物的复杂生物功能（AIST 新闻稿于 2004 年 3 月 25 日和 2010 年 11 月 19 日）。近年来，研究重点集中在臭虫上，其中包括许多难以控制的害虫，在此过程中，被称为大豆害虫的豆蝽（图1）被发现具有独特的微生物共生关系。豆蝽的消化道有许多称为隐窝的囊状结构（图2B），其中有该属的细菌共生体伯克霍尔德杆菌现场（图2C）。在大多数类型的昆虫中，共生细菌直接从母亲传播给后代（垂直传播），但对于豆虫来说，幼体获得了共生细菌伯克霍尔德杆菌来自每一代的环境土壤（环境获取）。

NIAES 一直在对土壤微生物的各种功能进行研究，旨在利用它们来改善农田或修复污染环境。微生物的一项有益功能是能够降解和清除化学物质，包括杀虫剂。 NIAES 已分离并鉴定出多种杀虫剂降解细菌，包括许多菌株伯克霍尔德杆菌.

最近的成果基于 AIST 对共生微生物的累积研究和 NIAES 对杀虫剂降解细菌的累积研究，将这些研究方向结合起来并进一步发展。此外，目前的研究，特别是 OPARC 的研究，研究了田间臭虫种群中杀虫剂降解细菌的感染状况。

这项研究得到了国家农业和食品研究组织生物导向技术研究推进机构“生物导向产业创新基础与应用研究促进计划”的支持。

图2：豆蝽的消化道和共生器官

(A) 消化道：箭头表示共生器官。 (B) 共生器官放大图：发育出许多隐窝（用三角形表示）， 充满共生细菌伯克霍尔德杆菌. (C) 地穴充满伯克霍尔德杆菌通过绿色荧光染料可视化。

杀虫剂杀螟松是一种有机磷酸酯化合物，在世界各地广泛使用。据报道，多种土壤细菌可以降解杀螟硫磷并将其作为唯一的碳源。通过降解细菌的作用，杀螟松被分解为对昆虫毒性很小的3-甲基-4-硝基苯酚，然后经过多个碳步骤才被用作来源（图3，上）。杀螟松降解细菌在农田土壤中很少出现，但连续施用杀螟松会增加其浓度。

图3：杀螟硫磷的降解伯克霍尔德杆菌

（上）杀螟硫磷降解途径 （下）含有杀螟松的培养基中的降解活性 通过杀螟硫磷的降解，在降解细菌菌落周围形成光晕。

伯克霍尔德杆菌，豆蝽的共生细菌，通常生活在环境土壤中。随着豆蝽若虫的成长，它们会获得伯克霍尔德杆菌口口相传，每一代人都重新建立共生关系。因为臭虫是共生的伯克霍尔德杆菌有比没有的个体更大的体型和产蛋数量，据信伯克霍尔德杆菌在宿主臭虫的营养代谢中发挥重要作用。

何时伯克霍尔德杆菌从多个地区的农田土壤和生活在那里的臭虫物种中分离出菌株并进行了调查，伯克霍尔德杆菌从土壤中分离出的菌株可降解杀螟硫磷，但数量很少（图 3，底部）。

豆虫标本被这些杀螟硫磷降解伯克霍尔德杆菌菌株（杀螟松降解菌）或与伯克霍尔德杆菌比较了不能降解杀螟硫磷的菌株（非降解菌）以及对宿主的影响。结果显示，感染杀螟硫磷降解菌的豆蝽与感染非降解菌的豆蝽在共生菌感染率、寄主存活率、生长速度、体型等方面没有显着差异。然而，感染杀螟硫磷降解菌的豆蝽对杀螟硫磷的抵抗力比感染非降解菌的豆蝽高得多（图4）。这些结果清楚地表明，豆虫通过感染杀虫剂降解细菌而获得了杀虫剂抗性。

图4：杀螟松处理后豆蚧的存活率

如果感染了杀螟松降解菌，几乎没有一个样本会死亡。 显示了两个 bean bug 品系的结果：TKS-1（左）和 TKA-7（右）。

对来自日本各地的 846 份豆蝽标本进行的感染研究未检测到杀螟硫磷降解细菌 (0%)。对稻虫进行了类似的感染研究（中华细线虫)，一种攻击水稻植物的害虫，以及东方金龟子 (食糖卡维勒菌)，一种攻击甘蔗的植物。 （这两个物种都与伯克霍尔德杆菌) 这项研究发现，仅在某些东方金龟子群体中（约 8%）感染了杀螟硫磷降解细菌。换句话说，可以确定日本的田间臭虫种群中杀螟硫磷降解菌的感染率通常较低。据认为，由于日本农田每年杀螟松的施用量仅限于大约一到三次，因此许多耕地土壤中杀螟松降解细菌的浓度低于检测阈值。

当将杀螟松试验性地施用于农田土壤时（每周一次，共四次），土壤中杀螟松降解菌的浓度增加，80%以上的分离培养细菌表现出杀螟松降解活性。然后将大豆种植在通过这种方式增加了杀螟硫磷降解细菌的土壤中，并在那里饲养豆蝽若虫。超过 90% 的昆虫在成年时就获得了杀螟硫磷降解细菌。这表明连续施用杀虫剂不仅可能增加土壤中的杀虫剂降解菌，而且会促进椿象体内降解菌的感染，从而帮助害虫产生抗药性。

根据这些结果，人们认为杀虫剂抗性是在共生细菌的帮助下产生的伯克霍尔德杆菌害虫是通过下述过程发育的（图5）。

(1) 连续施用杀虫剂会促进土壤中杀虫剂降解细菌的繁殖。
 (2) 臭虫从土壤中获取这些杀虫剂降解细菌并与之共生。
 (3) 含有杀虫剂降解细菌的臭虫产生杀虫剂抗药性。

图5：害虫中共生体介导的杀虫剂抗性的发展方案

结果首次证明共生微生物可能参与害虫的杀虫剂抗性。人们认为，杀虫剂抗性的产生是害虫本身基因突变的结果，害虫群体中出现的抗性个体是通过杀虫剂的使用而选择出来的，从而使群体中这种抗性昆虫的数量逐渐增加并出现。目前在共生细菌的帮助下产生杀虫剂抗性的机制的发现并不与传统的杀虫剂抗性发展模型相矛盾，而是提出了一种与其相适应的新模型。

研究人员将致力于解码杀虫剂降解的整个基因组伯克霍尔德杆菌并将使用下一代测序仪对宿主臭虫前后表达的遗传变化进行全面分析伯克霍尔德杆菌感染。通过这些研究工作，他们的目的是阐明共生细菌感染引起的杀虫剂抗性对宿主椿象的基因表达和代谢系统的影响，并在基础和应用方面阐明这一重要现象的分子基础。

需要完成的重要应用研究的例子包括评估杀虫剂的使用会导致杀虫剂降解的积累伯克霍尔德杆菌在农田土壤中以及用降解细菌感染臭虫。研究人员将在实验农田中研究这个问题，并试图阐明土壤中微生物群落行为对宿主害虫环境适应的影响。

阐明共生微生物增强害虫抗药性的机制可能会导致新技术的开发，以防止这些昆虫出现抗药性。从这个角度来看，研究人员打算继续他们的研究。