没有。 07：在臭虫和共生细菌中发现“进化点”

发布于 2018 年 1 月 4 日
永畑义幸的采访和文字

没有细菌就无法生存的昆虫

当您听到“与细菌共生”这个词时，您会想到什么？提到细菌，您是否有这样的印象：它们是引起疾病、危害人类健康的邪恶生物？

在地球上生活的各种各样的生物中，细菌也表现出多种生活方式，但与植物和动物不同的是，它们通常是肉眼看不见的。因此，细菌的存在只能通过它们的行为来认识。例如，对大多数人来说最容易理解的例子就是使东西腐烂的功能，而制造纳豆、酸奶和清酒等食物的“发酵”是细菌众所周知的功能之一。

顺便说一句，众所周知，动物和植物体内存在大量细菌，包括人类。一个成年男性体内大约有1到2公斤的细菌，这些细菌在调节胃肠健康方面发挥着作用。

然而，在昆虫中，细菌对于维持生命起着极其重要的作用，如果去除细菌，许多昆虫就会死亡。

米乐m6官方网站的武间深津是连续阐明生物体与细菌共生机制的权威专家。一个深秋的下午，我拜访了深津先生的实验室，当时银杏树正在变色，蔗鹟的声音在树篱中回荡，一睹他研究的前沿。

先生深津长期利用蚜虫和椿象研究昆虫和细菌之间的共生关系，最近发现细菌和一种称为德国椿象的椿象之间正在建立一种新的共生关系。

从昆虫和细菌的共生关系看生物的进化过程。我本以为他会告诉我这样一个史诗般的故事，但他没有举起臭虫，而是举起了一个奇怪的生物给我看。这是一种名为黑方象甲虫的热带象甲虫，分布在八重山群岛（冲绳县）（图1）。

在象鼻虫中，象鼻虫科在东南亚（尤其是菲律宾）繁盛，以植物的叶子为食。它的特征是覆盖其身体（包括翅膀和腿）的外骨骼极其厚实且坚固。即使鸟类尝试吃它，它也很难消化。它们似乎长期以来一直被掠食者所回避，而其他昆虫（例如长角甲虫）模仿它们的例子也很常见。

黑象鼻虫也是蜗牛家族的一员，据说共生细菌实际上参与了其坚硬身体的形成。如果你阻止细菌发挥作用，你的身体就会变得柔软。

如果它失去了硬度，就不能再称为蜗牛了。深津先生说着笑了起来。

“如果黑象鼻虫没有共生细菌，它就会成为‘funyakata 象鼻虫’。”

大量昆虫与细菌共存，形成了无法再单独生存的生命复合体。我们倾向于认为黑象鼻虫精致的身体结构，无论是在田间还是在繁殖情况下，它都会默默地一次又一次地进食和繁殖，就像我们与生俱来的一样。但实际上，存在着体内共生的细菌的功能。

让我们进入主题：臭虫。

先生深津在共生细菌的研究中使用了许多臭虫。

椿象在植物的叶子和树干上产卵。在此过程中，雌性将液体或果冻状物质包裹在卵上。它们这样做的原因是细菌实际上是混合在一起的，当孵化的幼虫摄入它时，它们肠道中的共生细菌就会从亲代传递给后代（图2）。

甚至在这种共生细菌的存在（图 3、4 和 5）被阐明之前，通过野外生态观察就揭示了椿象幼虫吮吸卵周围物质的行为，人们认为它们正在摄取父母准备的营养物质。然而，随着共生细菌存在的发现，人们越来越清楚这种行为除了营养摄入之外还有着极其重要的意义。

由于椿象的共生细菌通过卵的周围区域传递给下一代，因此可以进行多种实验，例如对卵周围的区域进行消毒，然后用其他细菌喂养椿象来摄入以取代共生细菌。臭虫的肠道内有许多类似盲肠的结构，其中储存着共生细菌。如果通过实验阻止幼虫感染共生菌，造成无菌状态，幼虫就会生长不良而死亡。没有细菌我们就无法生存。

如果这是一种习惯在土壤或腐木中产卵而不是在植物的叶子和树干中产卵的昆虫，那么就很难仅从卵周围提取共生细菌。臭虫是理想的研究材料，因为它们易于操纵共生细菌，以破译复杂的自然现象。

顺便说一句，许多共生细菌已经专门在特定昆虫的体内继续繁殖，并且只能在该昆虫的体内生存。那么，这个共生系统是如何、何时形成的呢？这是进化生物学中的一个大谜团。

然而，当我研究一种称为德国椿象的椿象时（图 6），一条线索出现了。

与土壤中的细菌存在共生关系！

德国绿蝽在日本各地广泛分布，是一种在户外稍加探索即可发现的常见物种。夜间，人们经常看到它们聚集在便利店和加油站的灯光周围。许多臭虫只吃某些植物，但德国绿臭虫聚集在多种植物的幼果中并吸食它们的汁液。它所吃的植物会根据季节而变化，有时会攻击果园中的柑橘和梨而成为农业害虫。在繁殖季节，它会采集雪松和柏树的果实并吸食它们的汁液，它也可能成为用于育苗的柏树种子田的林业害虫。

先生Fukatsu 和他的合作研究员九州大学的 Takahiro Hosokawa 彻底研究了日本各地德国绿蝽肠道内的共生细菌（图 7）。在日本九州北部检测到了相同类型的细菌（图 7 中的 A 型）。这正如预料的那样。然而，在南西群岛的德国绿椿象中，人们发现共生细菌具有显着的多样性（图7中的B至F型）。此前，在单一昆虫物种中只发现了一种或两种特定类型的共生细菌，这是生存所必需的，因此这是一个有趣的例外，或者说是一个新事实。

在南西群岛，发现椿象感染了五种共生细菌中的一种，虽然比例因岛而异，但与全日本不同。如果这些臭虫卵经过表面消毒然后孵化，幼虫就会变得不育并且无法生长。然而，当这些不育幼虫感染了已发现的六种细菌中的每一种时，它们都能够正常生长。这表明所有这些细菌都充当共生细菌（图 8）。

在六种细菌中，一种类型（A 型）存在于日本各地的所有个体中，另一种类型（B 型）存在于南西群岛的大多数个体中。它们被认为是典型的共生细菌，只能生活在臭虫体内，即使从臭虫体内取出并培养，它们也根本无法生长。然而，南西诸岛臭虫中出现频率较低的四种（C 型至 F 型）却有所不同。这种细菌可以很容易地在昆虫体外培养，而且细菌本身并没有失去繁殖能力。

相信可以在培养基上培养的细菌也可能存在于户外，Fukatsu 和他的同事继续进行下一个实验。他们在与取自南西群岛臭虫栖息地的土壤相同的容器中饲养不育的德国绿臭虫幼虫。一些幼虫随后能够生长并长成优秀的成虫。此前的实验表明，如果没有共生细菌，德国绿蝽幼虫就无法正常生长并死亡。也就是说，一些幼虫摄入了土壤中的细菌，与之共存，并获得了生长的能力。

经调查发现，土壤中确实含有刚羽化成虫肠道内检测到的细菌。德国绿臭虫能够通过从自然微生物多样性中吸收新细菌来生存，即使它没有专门的共生细菌。

对德国绿蝽的研究表明，在土壤中存在的多种微生物中，有一些细菌虽然数量很少，但具有共生所需的功能，并且有可能成为新的共生伙伴。换句话说，这捕捉到了细菌和昆虫之间目前正在进化过程中的“新共生关系”的状态。

通过这种方式获得的细菌未来如何特化为共生菌，是一个有待澄清的问题。但至少，已经证明细菌和昆虫之间的新共生关系可以理所当然地开始。深津先生说：

“共生的进化并没有什么特别的。随着昆虫过着多样化的生活方式，毫无疑问，新的共生关系仍在地球上的某个地方形成。”

先生深津在自然界中找到“进化场所”的伟大发现并不是他从一开始就预料到的。然而，这并不意味着它的诞生是偶然的。深津说道。

“当我们决定研究某种昆虫的共生微生物时，我们会从日本各地彻底收集该物种，并首先弄清楚其多样性和在自然世界中的生活史的整体情况。这些大量的信息成为一切的基础，并且往往会带来新现象的突破和突破性的发现。”

说起来可能很容易，但德国绿蝽是一种常见的物种，就像菜粉蝶一样，在全国各地都可以找到。如果是这样的话，人们通常不会想到从全国各地收集它们。面对着强烈的研究欲望，致力于从事内心深处感兴趣的事情，我想起了寺田虎彦的短篇小说《知识与怀疑》中的一句话：“怀疑是知识的基础。”善于怀疑的人就是善于了解的人。''

然而，在了解共生细菌时，用肉眼观察事物是有局限性的，共生细菌在野外存在无数数量，但肉眼看不见。通过彻底的实地观察发现现象层面的相关性，充分利用分子层面的技术识别不可见的事物，通过在实验室重复各种实验确认因果关系，未知的真实本质第一次变得可见。这是现场研究和实验室实验之间的平衡。深津先生对自然科学研究的未来有这样的展望。

``未来的生物学家将需要拥有有关生物的广泛知识和经验，能够收集和饲养动物，并对户外多样性及其与环境的关系有透彻的了解。换句话说，拥有博物学家的技能将是有利的。这取决于人的倾向和能力，很难教他们。如果你稍微努力研究分子和基因组，任何人都可以相当快地完成。从现在开始，这样的研究人员可能有更多机会完成伟大的工作。

下次，我想介绍更多深津先生令人兴奋的研究成果。