Takema Fukatsu（首席高级研究员兼共生进化和生物功能研究小组组长）、Takahiro Hosokawa（前 AIST 博士后研究员；现任九州大学助理教授）以及生物生产研究所 (BPRI；所长：Tomohiro Tamura)、国立先进工业科学技术研究所 (AIST；所长：Ryoji Chubachi) 的成员，与日本开放大学、琉球大学和冲绳科学技术研究所大学院大学发现棕翅绿蝽的肠道共生细菌普劳蒂亚·斯塔利，一种需要肠道共生细菌才能生存的农业害虫，表现出显着的地理差异。北海道、本州、四国和九州（日本大陆）的所有种群都具有特定的共生物种，而日本西南部岛屿的种群则与多种共生物种同域相关。

对臭虫种群的深入分析发现，西南岛屿上存在着多种不同进化阶段的共生菌：（1）在宿主体外无法培养、只能通过宿主世代垂直传播的共生菌； （二）可在宿主体外培养、在环境中存活、能够垂直传播和环境获得、并能够感染其他臭虫物种的共生细菌； (3) 不与之共生的环境细菌页。斯塔利天然存在，但在实验感染后可能具有共生能力。这些结果表明肠道细菌共生页。斯塔利西南岛屿并不像大陆那样成熟，仍处于动态演化过程中。

迄今为止，人们对建立新的、复杂的共生关系所涉及的具体过程和机制知之甚少。通过捕捉自然界中共生不断进化的快照，这项研究有助于更好地了解共生的起源和进化，以及了解和控制害虫对环境的适应机制。

详细结果将在线发表在国际科学期刊上，自然微生物学，2016 年 1 月 11 日 23:00（日本时间）。

图：一只棕色翅膀的绿色臭虫普劳蒂亚·斯塔利（左）及其中肠共生器官（右） 蓝绿色（右）表示位于解剖肠道中的肠道共生细菌。

包括人类在内的多种动物的消化道都含有肠道微生物群，由多种细菌、真菌和原生生物组成，发挥着各种生物学功能。最近，一系列有趣的研究相继发表，其中肠道菌群被证明与人类的健康、疾病和肥胖密切相关，从而引发了对肠道菌群多样性、功能和起源的研究的大幅扩展。

世界上已知的椿象超过 40,000 种，其中日本发现了 1,500 多种。由于许多臭虫是农业害虫，因此需要从农业和经济的角度深入阐明其生物学功能。臭虫中肠的后部区域是一个专门的共生器官，其中含有对宿主生长和繁殖至关重要的特定共生细菌（通常由单一物种组成）。这些细菌为宿主提供营养，如维生素和必需氨基酸；同时，细菌不能在宿主体外的细菌中增殖。

目前，此类共生细菌高度专业化，具有复杂的生物功能。然而，最初它们一定是生活在环境中的非特化细菌。人们对从环境细菌进化出高度专业化的共生细菌涉及哪些过程和机制知之甚少。

AIST 一直致力于阐明昆虫共生细菌的重要生物学功能，并了解昆虫与共生细菌之间复杂的相互作用。特别是对于作为农业害虫而臭名昭著的臭虫的肠道共生菌，产业技术研究所取得了“共生菌可以使其宿主害虫成为害虫”这样的显着成果（AIST 新闻稿，2007 年 6 月 13 日)，“发现介导害虫杀虫剂抗性的共生细菌”(AIST 新闻稿，2012 年 4 月 24 日)，“聚酯在昆虫-细菌共生中的新生物学功能”(AIST 新闻稿，2013 年 6 月 11 日），以及“阐明臭虫（一群臭名昭著的害虫）中共生体获取的独特机制”（AIST 新闻稿，2015 年 9 月 1 日）。在这项研究中，研究人员发现了农业害虫肠道共生细菌的多样性页。斯塔利在日本列岛，并试图阐明多样性建立的过程和机制。

这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (S) 的支持。

中肠后部区域页。斯塔利（图1A）特化为共生器官（图1B），其中含有与以下密切相关的共生细菌（共生体A）大肠杆菌（图1C）。先前的研究表明，这种共生体对于若虫的生长至关重要。产卵后，雌性将含有共生体的排泄物涂抹在卵表面，孵化出的新生儿将其吸收，从而建立了垂直共生体传播（图1D）。

在之前的研究中，仅页。斯塔利在大陆已经过检查。在这项研究中，研究人员收集了 448 种昆虫页。斯塔利对日本列岛的 42 个人群进行肠道共生细菌调查，最终鉴定出六种不同的肠道共生细菌（共生菌 A、B、C、D、E 和 F）（图 1E）。其中，仅在大陆人群中检测到共生体A。另一方面，共生体B在西南岛屿种群中最常见，而共生体C、D、E和F也被检测到，但频率较低（图2）。作为例外，宫古岛的人口显示共生体 C 感染占主导地位。

图。 1：页。斯塔利及其肠道共生细菌 (A) 成年昆虫。 (B) 解剖肠道的后部区域（箭头表示共生器官）。 (C) 共生细菌的光学显微图像。 (D) 孵化的若虫从卵表面获取共生细菌。 (E) 中鉴定的六种共生细菌之间的系统发育关系页。斯塔利日本人群（基于 16S 核糖体 RNA 基因序列）。

图。 2：共生体多态性页。斯塔利日本人口

当通过卵表面灭菌去除共生体以防止垂直传播给孵化的若虫时，这些无共生体的后代大多数以若虫的形式死亡。成功成年的昆虫身材矮小，颜色异常（图3）。当共生体 A、B、C、D、E 或 F 中的任何一个被移除时，这些观察结果很常见，这表明所有六种共生体对于正常若虫生长都是必需的。

图。 3：消除共生体对宿主臭虫的影响 (A) 成虫羽化率。 (B) 成虫的外观。

当共生器官被研磨和培养时，没有观察到共生体A或B的菌落，而其他共生体（C、D、E和F）很容易培养。基因组测序草案显示，与共生体C、D、E和F相比，共生体A和B的基因组尺寸更小，这表明在进化过程中基因组可能减少，这可能导致共生体A和B在宿主体外增殖困难。

研究人员接下来检查了共生体的可替代性。当共生体 B 感染的卵进行表面灭菌并向孵化的无共生体若虫提供培养的共生体 C、D、E 或 F（图 4A）时，这些若虫的生长与共生体 B 感染的若虫相似（图 4B）。在用共生体 A 感染的卵进行的实验中获得了相同的结果，表明这六种共生体发挥着相似的生理作用，这对宿主生长至关重要。

图。 4：共生体替换对宿主臭虫的影响 (A) 培养共生体的实验感染设置。 (B) 类似于原始共生体 B 感染的臭虫（左）， 实验性地用共生体 C、D、E 或 F（右）替换臭虫，表现出正常生长。

共生体 C、D、E 和 F 可培养的发现表明它们可能存在于自然环境中。为了验证这个假设，页。斯塔利从表面消毒的卵中孵化出来的若虫被暴露在石垣岛西南部栖息地收集的土壤样本中六天（图 5A），随后用清洁容器中的清洁食物进行饲养。 1,005 只孵出的若虫中的大多数死亡，而 85 只已成年。在这 85 只昆虫中，有 14 只成虫身材矮小且颜色异常，这是典型的无共生昆虫（图 5C），而其余 71 只昆虫的大小和颜色正常（图 5B 和 5D-L）。大多数正常成年人感染了共生体 C、D 或 E；另一方面，其余的成虫则感染了以前未知的细菌谱系（暂称为环境细菌X1-X6）（图5B-L）。这些结果表明页。斯塔利存在于自然环境中，并且其他一些环境细菌可能与之共生页。斯塔利.

图。 5：从环境土壤中获取共生体的实验验证 (A) 土壤细菌实验感染的环境。 (B) 感染绿色成虫的细菌种类。 (C-L) 感染指定细菌种类的成虫的外观。

研究人员还发现，西南岛屿上的许多其他臭虫物种的肠道细菌在基因上与共生体 C、D 或 E 没有区别页。斯塔利（图6A-C）。当共生B感染的卵页。斯塔利进行表面消毒，并向孵化出的无共生体若虫提供从其他椿象物种的共生器官中分离出来的培养的共生体C、D或E，这些若虫的生长与共生体B感染的若虫的生长相同（图6D）。这些结果表明，环境中的共生体 C、D 和 E 可能不仅与页。斯塔利但也与各种其他臭虫物种有关，除了从母亲到后代的垂直传播之外，共生细菌群落可能以动态方式与臭虫群落相关联，因此共生细菌通常是从环境中获得的或通过水平传播在不同臭虫物种之间移动。

图。 6：种间共生体替换对宿主臭虫的影响 (A-C) 其他含有肠道共生体的臭虫物种在基因上与共生体 C、D 或 E 无法区分页。斯塔利. (D) 与原始共生体 B 感染的椿象（左）类似，被替换为来自其他椿象物种的共生体 C、D 或 E 的椿象表现出正常生长。

如上所述，肠道共生微生物群页。斯塔利日本列岛正处于动态演化过程中。共生体A在宿主体外无法生存，完全固定在页。斯塔利。另一方面，西南岛屿种群没有固定的共生体；大多数是共生体B，与共生体A类似，不能在宿主体外生存，其他共生体C、D、E和F也共存。共生体 C、D、E 和 F 具有与环境细菌相似的特性，可以在宿主体外生存，并且可以感染其他臭虫物种。此外，还发现环境土壤中存在多种环境细菌，具有与臭虫共生的潜力。这项研究成功捕捉了自然界中共生不断进化的过程，有助于更好地理解共生的起源和进化过程。这项研究阐明了西南岛屿生物多样性的一个新方面，那里观察到了极其丰富的生物多样性。

研究人员计划监测自然种群中共生体随时间的多样性页。斯塔利在西南岛屿，也是为了促进实验进化研究，其中页。斯塔利在实验室的各种环境条件下持续监测肠道共生。特别令人感兴趣的是阐明多种共生物种在西南岛屿种群中共存的原因页。斯塔利，而单一共生物种在大陆种群中是固定的。

此外，还将分析共生体之间的相互作用，包括竞争或共存，以加深对共生机制的共性和多样性的理解，并探讨利用共生体作为控制农业害虫臭虫的新目标的可能性。固定在温带大陆的共生体A和在亚热带西南岛屿占主导地位的共生体B可能参与了椿象对不同温度条件或不同食用植物的适应。这些问题应该在未来的研究中进行调查。