生物生产研究所（BPRI；所长：Tomohiro Tamura）竹间深津（首席高级研究员、共生进化和生物功能研究小组组长）、日本国立先进产业技术研究所（AIST；所长：中钵良二）、松浦佑（前 AIST 共生进化和生物功能研究小组技术实习生；现任研究员）北海道大学（日本学术振兴会青年科学家奖学金计划）和BPRI、AIST环境生物功能研究组的Yoshitomo Kikuchi（高级研究员）分析了种子虫中容纳共生细菌的细菌细胞的发育过程和形成机制普勒贝乌斯，与北海道大学环境科学研究生院环境地球科学学院的 Toru Miura（副教授）合作（院长：Keizo Yamaguchi）。研究表明，细菌细胞的形成是通过获得一些参与形态发生的同源基因的新表达模式来介导的，特别是超胸鱼——昆虫胚胎发育期间。

细菌细胞是专门容纳共生微生物的昆虫细胞，其起源一直是进化发育生物学中的一个长期谜团。这项研究揭示了参与宿主细胞共生形成的重要分子机制。研究结果预计将有助于理解细胞分化机制、分子水平共生机制以及针对细菌感染的保护机制。

结果于 2015 年 7 月 14 日凌晨 3 点（日本时间）在网上公布美国国家科学院院刊.

种子错误普雷贝乌斯（左）及其由许多细菌细胞组成的细菌组（共生器官）（右） 绿色和蓝色信号分别表示共生细菌和核 DNA。

昆虫占迄今为止世界上描述的生物物种的一半以上。作为代表生物多样性的动物类群，昆虫多样而复杂的生物功能的开发和利用值得期待。许多昆虫物种的特点是能够在体内甚至细胞内容纳微生物，从而建立共生关系。许多昆虫物种，包括农业和卫生害虫，都与细胞内共生细菌相关，通过共生细菌，它们获得了重要的生物学功能，例如提供必需的营养物质。这些细胞内共生细菌大多数位于宿主昆虫体内的细菌细胞（专门用于共生的细胞）内，在那里它们发挥着重要的生物学作用，并垂直传播到下一代的卵或早期胚胎。

因此，细菌细胞是支撑昆虫和细菌之间复杂共生关系的重要细胞，从害虫防治的角度来看也很有趣。然而，细菌细胞的起源一直是一个谜，细菌细胞的形成机制也一直未知。

AIST 一直在研究昆虫共生细菌的重要生物学功能（AIST 新闻稿2004 年 3 月 26 日, 2007 年 6 月 30 日, 2012 年 4 月 24 日，并且2014 年 9 月 25 日）以及昆虫和共生细菌之间复杂的生物相互作用（AIST 新闻稿2002 年 10 月 29 日, 2013 年 6 月 11 日, 2013 年 6 月 21 日，并且2014 年 7 月 1 日).

特别是对于昆虫细菌细胞内发现的共生细菌，有“细胞内共生细菌的发现沃尔巴克氏体为臭虫提供必需的营养”（AIST 新闻稿，2009 年 12 月 22 日）和“捕捉必需的共生细菌垂直传播到下一代宿主的瞬间！” （研究结果于2009年5月28日公布）。

在这项研究中，研究人员利用种子虫研究了细菌细胞形成的奥秘N。普莱比乌斯。这种昆虫拥有细菌细胞，但对其进行的研究很少，其基因功能可以通过 RNA 干扰进行分析。

目前的大部分成果是由筑波大学研究生松浦佑（AIST 技术实习生、日本学术振兴会青年科学家奖学金项目研究员）在竹间深津指导下的博士研究项目中获得的。这项研究得到了文部科学省科学研究补助金的部分支持。

一般来说，臭虫与其肠道中的共生细菌有关。然而，研究人员发现，种子虫是例外N。普莱比乌斯拥有称为施奈德利亚细菌细胞内。共生菌的分布N。普莱比乌斯已被调查。产卵后，细菌立即聚集在卵的前极（图1A）。在成熟胚胎中，细菌位于一对细菌组内，腹部两侧各一个（图 1B），它们在整个幼虫和成虫阶段都保留在此处（图 1C 和 D）。

图1：共生细菌和菌群的分布N。普莱比乌斯(A) 鸡蛋。 (B) 成熟胚胎。 (C) 一龄若虫。 (D) 成人。 顶部明场图像。底部，共焦荧光显微图像。绿色和蓝色信号分别表示共生细菌和核 DNA。

图2：共生细菌和菌群的分布N。普莱比乌斯胚胎发育期间 (A) 产蛋后约 48 小时。 (B) 产蛋后 72 至 84 小时。 (C) 产蛋后约 96 小时。 (D) 产蛋后约 120 小时。 胚胎形态的顶部示意图。共生细菌的分布以红色显示。底部， 共焦荧光显微图像。绿色和蓝色信号分别表示共生细菌和核 DNA。

对胚胎发育过程中共生细菌的分布进行了更详细的研究。产卵后约48小时，共生细菌聚集在胚胎外的腹部（图2A）。然后，产卵后72至84小时，胚胎腹部两侧出现六对聚集的假定细菌细胞。细菌进入并感染这些细菌细胞，并在那里定位（图2B）。产卵后约96小时，两侧的6个细菌细胞聚集融合（图2C），从而在腹部两侧形成一对菌群（图2D）。

之前有一项研究报告称，同源基因产物定位于蚜虫的细菌细胞。然而，由于蚜虫的基因功能分析较困难，因此尚未进行进一步的研究。在N。普莱比乌斯，使用RNA干扰进行基因功能分析是可行的。因此，研究人员试图抑制胚胎发育过程中各种同源基因的表达N。普莱比乌斯通过RNA干扰。当表达式超胸鱼基因被抑制，没有细菌细胞形成，失去了定位的目的地，共生细菌分散在胚胎体周围（图3A和3B）。当正常胚胎时N。普莱比乌斯通过原位杂交进行了研究，超胸鱼与胚胎腹部两侧六对假定细菌细胞聚集体的位置完全一致（图3C）。在果蝇, 超胸鱼参与后胸段和第一腹段的形态发生。在N。普莱比乌斯，另一方面，超胸鱼已获得并参与胚胎发生过程中的细菌细胞形成。

图3：超胸鱼在N。普莱比乌斯及其抑制的效果 (A) 正常胚胎：共生细菌集中在腹部，形成六对聚集的假定细菌细胞。 (B)超胸鱼抑制胚胎：没有形成假定的菌细胞聚集体，并且共生细菌分散。 在 (A) 和 (B) 中，绿色和蓝色信号分别表示共生细菌和核 DNA。 (C) 本地化极胸鱼正常胚胎中的表达：检测到六对表达域（用小箭头表示）， 与聚集的假定细菌细胞的位置一致。额外的表达域（由 大箭头）位于后胸段和前腹段，代表位置 哪里超胸鱼最初表达的是。所有胚胎 (A)–(C) 均在产卵后约 84 小时。

其他同源基因也影响细菌细胞的形成。在果蝇, 触角百科基因控制腿部形成。值得注意的是，当表达式触角百科受到RNA干扰的抑制，细菌组的位置在胚胎中向前移动N。普莱比乌斯，并且在一些胚胎中，细菌细胞是在腿内形成的。在果蝇，abdominal-A基因控制第二至第八腹节的形成。当N。普莱比乌斯，细菌组融合变得不完整，分裂成几个细胞聚集体。然而，这些基因的表达模式与胚胎腹部两侧六对假定的细菌细胞聚集体的位置不一致。

总而言之，虽然同源基因通常在发育和形态发生中发挥着重要作用果蝇和其他动物一样，研究人员证明N。普莱比乌斯，除了这些一般功能外，同源异型基因也被用于细菌细胞的形成。这项研究极大地推进了对支持昆虫和细菌之间高度整合共生的细菌细胞形成机制的理解，这一直是进化发育生物学中的一个长期谜团。

下一步，研究人员打算研究超胸鱼用于了解如何表达模式特征N。普莱比乌斯已被收购。他们将通过分离胚胎中聚集的假定细菌细胞来寻求了解参与细菌细胞分化的基因网络的整体情况N。普莱比乌斯并使用下一代 DNA 测序仪进行全面的转录组分析。如果信号分子，共生细菌通过信号分子识别并感染胚胎发育中聚集的假定细菌细胞N。普莱比乌斯，可以确定，这些成就可能会导致控制昆虫共生细菌以及病原细菌感染的技术。研究人员也会从这个角度进行研究。