米乐m6官方网站［会长：吉川博之］（以下简称“AIST”）生物机能工学研究部［主任：岩仓雅宏］生物共生相互作用研究小组武间深津与千叶大学合作，研究小组领导发现，一种称为沃尔巴克氏体的共生细菌，会引起黄蝴蝶昆虫的性别变化，其作用不仅限于早期发育阶段，而且会持续很长一段时间到幼虫阶段的时间。
众所周知，某些蝴蝶和药丸虫会经历一种称为“共生细菌性别逆转”的现象，即当它们感染一种名为沃尔巴克氏体的共生细菌时，尽管具有雄性性染色体，但它们会发育成完全雌性个体。当感染了这种共生细菌的黄蝴蝶幼虫被喂食抗生素时，就会出现具有雄性和雌性特征的各种模式的“间性个体”。
这一发现表明，昆虫的性别变化不仅限于早期发育阶段，在发育后期也可能发生。这是从昆虫性别控制、害虫防治和生殖工程的工业角度备受关注的成果。
这项研究成果于2007年7月2日*发表在美国学术期刊《应用与环境微生物学》上，黄色蝴蝶出现在该杂志的封面上。
 |
| 照片：正常黄尾蝴蝶（左）和间性个体（右） |
* 成田 S等 应用和环境微生物学 73: 4332-4341 (2007).
性别决定和性别分化的机制不仅激发了我们作为基础科学学科的求知欲，而且还具有工业应用的潜力。例如，在家禽和牲畜养殖场中，如果能够只饲养产蛋的母鸡或产奶的奶牛，将会非常有用。这种努力有时被称为“生殖工程”，但尚未投入全面的实际应用。如果我们能够开发出一种技术，允许我们利用外部因素人为地操纵动物的性别，那将大大有助于其实际应用。
性别可以根据外部因素改变的动物也是已知的。特别令人感兴趣的是一种被称为“共生微生物的繁殖操纵”的现象，这种现象在许多昆虫物种中都观察到。沃尔巴克氏体 (沃尔巴克氏体) 是一种普遍的共生细菌，据说可以感染超过 20% 的所有昆虫物种，并以引起宿主昆虫的繁殖变化而闻名。然而，尽管人们对沃尔巴克氏体操纵宿主昆虫繁殖的机制非常感兴趣，但仍有许多方面尚不清楚。
AIST一直在推动针对难以培养的共生微生物的各种研究项目，这些微生物是未经开发的遗传资源的宝库。这项研究由千叶大学园艺研究生院三年级博士生成田佐藤子作为主要研究员进行。
尤里玛·赫卡贝是日本各地常见的蝴蝶。雄性有亮黄色的翅膀，前翅下侧有性标记（图 1，左上），而雌性有稍暗的黄色翅膀，没有性标记（图 1，右上）。在黄蝴蝶等鳞翅目昆虫中，性别通常由性染色体决定，XX为雄性，XY为雌性。然而，众所周知，在冲绳本岛和种子岛的黄腹蝴蝶种群中，有个体感染了一种特定的共生细菌沃尔巴克氏体，导致它们发生性别逆转，导致它们的后代全部变成雌性。
 |
图 1：（左上）一只正常的成年雄性蝴蝶。箭头表示性别标记。 （右上）正常成年女性。
（左下、下中）通过抗生素治疗获得的黄腹蝴蝶的两性个体。
（右下）未能破蛹而出的金黄色蝴蝶的两性个体。蛹已被移除。 |
为了寻找共生细菌沃尔巴克氏体何时以及如何将雄性黄尾蝶转化为雌性的线索，我们尝试通过用含有抗生素四环素的人工饲料饲养金黄尾蝶品系的幼虫，其中只有雌性因沃尔巴克氏体感染而出生，从而选择性地抑制和消除它们体内的共生细菌。当蝴蝶从一、二、三、四龄幼虫开始用含抗生素的食物饲养直至化蛹时，蝴蝶化蛹正常，但羽化率明显较低。许多出现的蝴蝶都存在翅膀弯曲或扭曲等异常情况（图1左下和中），甚至乍一看正常的蝴蝶也无法正常飞行。当我们解剖未羽化的蛹时，我们发现蝴蝶的身体已经在里面形成，并且未能从蛹中逃脱（图1右下）。
 |
图 2：（左上）正常男性睾丸。它有红色素。
（右上）正常女性卵巢。发育中的卵细胞排列在卵巢上。
（底行）双性个体的性腺。卵巢和睾丸共存。 |
 |
图3：（左上）正常男性交配器官，蓝色箭头表示男性特有的结构，称为交配瓣边缘棘。
（右上）正常女性交配器官。红色箭头表示乳突，这是女性特有的结构。
（底行）双性个体的交配器官。交配瓣边缘棘与乳突并存。 |
当我们详细检查这些蝴蝶的形态时，我们发现许多个体混合了雄性和雌性特征。就外部形态而言，有许多蝴蝶尽管具有雄性的底色，但缺乏一种或两种性别标记。关于内部形态，正常雄性有睾丸（图2，左上），正常雌性有卵巢（图2，右上），但在许多蝴蝶中，睾丸和卵巢都形成了（图2，底部）。对交配器官的进一步检查发现，正常雄性蝴蝶的雄性交配器官带有抓握器（图3，左上），正常雌性的雌性交配器官带有唇瓣（图3，右上），但许多蝴蝶的交配器官同时具有雄性和雌性特征（图3，下排）。
当我们测量用这些抗生素治疗的蝴蝶中共生细菌的感染密度时，它减少到未治疗蝴蝶的1/10以下，但并没有完全消除。
显示这些中间性表型的蝴蝶不仅在从第一龄幼虫阶段开始应用抗生素治疗时而且在从第二龄和第三龄幼虫阶段开始应用抗生素治疗时以相当高的频率出现。但用不含四环素的人工饲料或食用草叶饲养时，出苗率正常。此外，当给未感染沃尔巴克氏体的蝴蝶喂食含有抗生素的人工饲料时，没有出现这样的蝴蝶。
上述结果总结如下。
- 共生细菌沃尔巴克氏体的感染会导致黄色蝴蝶发生性别变化，目前黄色蝴蝶全部是雌性。当在幼虫阶段给予抗生素时，感染被抑制。
- 虽然给予抗生素的幼虫正常化蛹，但很大比例的蝴蝶未能羽化，而羽化的蝴蝶则表现出形态和行为异常。
- 许多蝴蝶都是具有雄性和雌性特征的双性个体。
- 人们认为抗生素抑制了共生细菌沃尔巴克氏体的感染，导致性别逆转不完全和双性个体的出现。
- 间性个体不仅在从一龄幼虫阶段开始接受抗生素治疗时出现，而且在从第三龄幼虫阶段开始接受抗生素治疗时也出现。
- 研究表明，为了将遗传上的雄性蝴蝶转变为功能齐全的雌性蝴蝶，沃尔巴克氏体有必要至少在第一龄至第三龄幼虫阶段持续感染宿主。
在大多数动物中，雄性和雌性状态是由受精时的染色体组成在遗传上决定的，受精卵分化为雄性或雌性发生在发育的早期阶段。因此，人们认为，在受精卵的早期发育过程中，生殖操纵共生细菌以某种方式作用于性别分化机制，将遗传上的男性个体转变为女性。然而，这项研究的结果表明，沃尔巴克氏体改变宿主性别的作用点并不局限于早期发育阶段，而是在幼虫阶段延伸很长一段时间。换句话说，有人认为，至少在黄蝴蝶中，沃尔巴克氏体通过操纵“涉及雌性形态和特征表达的机制”而不是“性别分化为雌性的机制”，将基因雄性转化为功能性雌性。
这一发现不仅促使人们重新思考关于共生细菌引起的昆虫性别改变机制的传统理论，而且还表明，即使在性激素的存在未知的昆虫中，在发育后期也可能发生性别改变，从昆虫性别控制和生殖工程的角度来看，这一结果引起了人们的关注。
我们的目标是阐明共生细菌将雄性昆虫性别转变为雌性的具体分子机制。近年来，蚕（像黄蝴蝶一样是一种鳞翅目昆虫）的基因组分析取得了进展，使得获取可能涉及性别决定和性别分化的基因变得更加容易。利用这种情况，我们希望使用微阵列等综合方法和使用候选基因的个体方法来研究沃尔巴克氏体感染如何影响宿主的基因表达。虽然这仍然是一个遥远的问题，但如果我们能够具体了解昆虫发育后期性别变化的机制，我们就可以考虑“昆虫繁殖工程”，它可以让我们自由地控制和创造雄性/雌性昆虫，以及高效生产昆虫杀虫剂、天敌等各种工业应用。