Takema Fukatsu（首席高级研究员兼共生进化和生物功能研究组组长）、Nahomi Kaiwa（技术实习生）和 Takahiro Hosokawa（前 AIST 博士后研究员，现任九州大学助理教授）、生物生产研究所（所长：Tomohiro Tamura）、国立先进产业技术研究所（AIST；所长：Ryoji） Chubachi）和 Shuji Shigenobu（副教授）、国立基础生物学研究所 (NIBB)、国立自然科学研究所与日本开放大学和东京大学合作，揭示了由臭虫科臭虫产生的独特卵包胶的生产机制、化学成分、生理功能和适应性意义。

Urostylidid 臭虫分布于包括日本在内的亚洲地区和国家。深秋时节，雌性在橡树上产下覆盖着果冻状物质的卵块。卵在仲冬孵化，若虫仅以果冻为食，直到早春，它们开始吸取植物汁液。这种果冻由称为半乳聚糖的多糖组成，含有足够的树干若虫生长到第三龄所需的细菌共生体，以及仅靠春季植物汁液生存的若虫所需的必需细菌共生体。通过这种方式，果冻支持了尿节臭虫的特殊生态。半乳聚糖（例如琼脂、角叉菜胶和果胶）的大量生产在藻类和植物中众所周知，但在动物中却是例外。阐明昆虫半乳聚糖凝胶的生物学功能具有基础和应用科学意义。

详细结果已在线发表在美国科学杂志上，当前生物学，2014 年 9 月 26 日凌晨 1 点（日本时间）。

一只成年雌性 urostylidid 臭虫产下一个覆盖着果冻状物质的卵块

昆虫占所有描述物种的一半以上，它们在陆地生态系统中发挥着重要作用。为了利用该动物群复杂多样的生物能力，进行了各种研究和开发。

椿象（半翅目：异翅目）在世界上有 40,000 多种，在日本有 1,500 多种，包含多种臭名昭著的农作物害虫，因此被视为农业和经济上重要的昆虫类群。吸食植物的臭虫通常与肠道内的共生细菌有关，这些细菌对于宿主昆虫的生存至关重要，并参与重要的生物功能，例如提供营养、植物适应和杀虫剂抗性。

Urostylididae 科臭虫在东南亚约有 7 属 80 种，在日本有 2 属 5 种。成年女性韦斯特伍德尿柱虫和环角尿柱这个家族的腹部在十一月左右的深秋明显增大，聚集在橡树的树干上麻栎和锯缘栎，并产下覆盖有果冻状物质的卵块（图1A）。带有呼吸管的卵排列成两排并嵌入果冻中（图1B和C）。卵在二月左右的仲冬孵化，若虫仅以水母为食，并生长到第三龄。然后，它们在3月下旬至4月初寄主树开始抽芽时开始吸取植物汁液（图1D）。尿茎臭虫的这种奇特生态最早于 1910 年代的日本文献中报道，并得到了一些业余昆虫学家和自然摄影师的认可。然而，自第一份报告发布以来，大约 100 年来一直没有对此主题进行任何科学研究。

图 1：urostylidid 臭虫的卵块 (A) 成年雌性在树皮上产下覆盖着果冻状物质的卵块。 (B) 卵块的放大图像。呼吸管从果冻层中伸出。 (C) 分离的鸡蛋。箭头表示呼吸管。 (D) 一龄若虫聚集在水母上。

AIST 在阐明昆虫共生微生物的重要生物学功能方面取得了多项世界领先的研究成果（AIST 新闻稿2004 年 3 月 26 日, 2007 年 6 月 13 日，2009 年 12 月 22 日，2012 年 4 月 24 日，并且2014 年 7 月 1 日) 并了解昆虫与共生微生物之间复杂的相互作用（AIST 研究结果于 2007 年 7 月 2 日和 2012 年 5 月 28 日公布，以及 AIST 新闻稿2002 年 10 月 29 日, 2013 年 6 月 11 日，并且2013 年 6 月 21 日).

特别是在鉴定昆虫产生的功能性分子方面，AIST 取得了“蚜虫有毒蛋白酶”等显着成果（AIST 新闻稿2004 年 7 月 27 日) 和“红蜻蜓体色变化机制的阐明”（AIST 新闻稿2012 年 7 月 10 日).

NIBB功能基因组设施拥有最新型号的下一代DNA测序仪，在包括昆虫共生菌在内的多种生物体基因组学方面取得了多项成果。

这次，研究人员开展了一项合作研究项目，旨在揭示尿节臭虫神秘的卵包胶冻的产生机制、化学成分、生理功能和适应性意义。

本研究的一部分得到了日本文部科学省的科学研究补助金的创新领域科学研究和科学研究(S)的支持。

田间收集的 urostylidid 臭虫卵块被分配到以下实验组：未处理的对照卵块（图 2A）；去除果冻的卵块（图 2B）；和果冻恢复的蛋块，其中去除的果冻被放回到鸡蛋上（图2C）。在实验室中观察到这些卵块中若虫的生长。尽管这些组之间的卵孵化率处于同一水平（图2D），但在去胶组中，二龄蜕皮率显着下降（图2E），并且该组中没有若虫蜕皮至三龄（图2F）。此外，去除果冻组的二龄若虫明显小于对照组，表明在没有果冻的情况下生长受到抑制（图2G）。在果冻恢复组中，第二龄和第三龄的蜕皮率显着恢复（图2E和F）。这些结果表明，果冻喂养对于 urostylidid 若虫的生存和生长至关重要。

图 2：果冻喂养对 urostylidid 臭虫若虫的影响 (A) 未经处理的对照蛋块。 (B) 去除果冻的蛋块。 (C) 果冻恢复的蛋块。 (D) 对卵孵化率的影响。 (E) 对第二龄蜕皮率的影响。 (F) 对第三龄蜕皮率的影响。 (G) 二龄若虫体型比较。 图表中不同的小写字母表示统计上显着的差异。 “ns”表明没有显着差异。

果冻的化学分析显示其成分为 60% 水、26% 碳水化合物（糖）和 8% 蛋白质（主要是氨基酸）。通过水解碳水化合物进行的糖成分分析表明，半乳糖占总糖的90%以上，表明果冻是由半乳糖组成的多糖（即所谓的半乳聚糖）制成的。来自藻类的琼脂和角叉菜胶以及来自植物的果胶是众所周知的半乳聚糖，广泛用于工业和商业目的。与此同时，动物源性半乳聚糖的描述很少，这表明果冻可能代表一种新型生物聚合物。值得注意的是，果冻恢复的卵块经常生长霉菌，这导致与对照卵块相比，第二龄和第三龄的发芽率较低（图2E和F）。这些观察结果表明，果冻的外层可能具有一些抗菌活性，这有待将来研究。

此外，还分析了水解卵、果冻和三龄若虫的氨基酸组成和含量。结果表明，果冻含有足够量的氨基酸，供新生若虫生长到第三龄。

总而言之，卵包胶含有足够的必需营养物质，支持新生若虫生长到第三龄，为仲冬若虫的生长奠定基础。尾蝽的独特生态——若虫在天敌稀缺的冬季生长，而已经长大的若虫在春季以营养丰富的射虫为食——可能对尾蝽具有广泛的适应意义。

对产卵前腹部肿胀的成年雌性进行解剖，高度发育的卵巢在基底区积累了半透明的果冻和成熟的卵子，表明卵巢基底区是果冻产生和储存的场所。显微镜观察包蛋果冻的内部结构，发现许多聚集的共生体簇（图3A）。在以果冻为食的若虫中，共生体积累在消化道的后端（图3B），这表明共生体是通过摄入果冻获得的。

图 3：urostylidid 臭虫若虫从卵覆盖果冻中获取共生体 (A) 共生体的小聚集体分散在果冻中。绿色颗粒表示聚集的共生体。 (B) 共生体在一龄若虫体内的定位。

共生体的基因组测序表明，共生体基因组保留了合成蛋白质合成所需的必需氨基酸的基因，尽管许多基因和代谢途径丢失，并且基因组大小极度减小。这些结果表明，从春季起，共生体在为寄主昆虫提供营养方面发挥着重要作用，而寄主昆虫只以含有少量蛋白质的植物汁液为食。

研究人员计划确定果冻的主要成分半乳聚糖的结构，并分析其物理特性和生理功能。他们还想检查果冻中发现的潜在抗菌活性，以及负责这些活性的致病分子。此外，通过使用下一代DNA测序对表达基因进行综合分析，研究人员将研究共生相关功能背后的分子机制。