国立产业技术综合研究所【所长：野间口佑】（以下简称“AIST”）生物过程研究部【研究主任：蒲形阳一】首席研究员古贺龙一、国立大学法人富山大学生物共生进化机制研究组组长武间深津【所长：远藤敏郎】先端生命科学中心【主任：平井义郎】
与特别助理教授Tsutomu Den合作，对昆虫的生存至关重要细胞内共生细菌
对于宿主昆虫生存所必需的共生细菌如何可靠地传递给后代的机制，仍有许多问题不清楚。这一结果为一个长期悬而未决的问题提供了答案。它还有望有助于开发针对重要共生细菌传播机制的新型杀虫剂。
这个结果是美利坚合众国国家科学院院刊（美国国家科学院院刊）2012年5月15日号发表（日本时间4月20日电子版发表）。
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图1 这里揭示了共生菌母婴传播的过程 必需的共生细菌 Buchnera（绿色）① 选择性地从母虫的真菌细胞中输出，② 并入附近的早期胚胎中。另一方面，没有观察到自愿共生菌沙雷氏菌（红色）的选择性输出，体液中的细菌利用机制②被感染。 |
许多昆虫，包括农业和卫生害虫，与细菌具有细胞内共生关系。特别是在依赖营养丰富的食物（植物汁液、人类和动物血液、木材等）的昆虫中，共生细菌对宿主的生长和繁殖发挥着重要作用。这些必需的细胞内共生细菌维持在宿主昆虫体内专门的共生细胞和组织中，并传播到母体内的卵和早期胚胎。共生细菌的母婴传播对于维持这种共生关系至关重要，阐明这种机制对于理解昆虫和细菌之间的共生关系具有重要意义。此外，据预测，如果宿主昆虫生存所必需的共生细菌的母婴传播受到抑制，昆虫就无法生存，因此这一机制有望成为杀虫剂开发的新目标。
昆虫通过与具有先进生物功能的细菌共存来适应各种环境。在这些共生关系中，细菌进入宿主昆虫细胞的一种称为内共生。蚜虫是农业害虫，以植物的韧皮部液体为食，其中含有很少的正常动物所需的必需氨基酸和维生素。布赫内拉 (布赫内拉10754_10876沙雷氏菌) 和雷吉拉 (雷吉拉)可能共存。尽管它们对于宿主生存或繁殖不是必需的，被称为选择性共生细菌，但它们参与各种环境适应，例如耐受高温、抵抗寄生虫和扩大宿主植物范围。与 Buchnera 不同，任意共生细菌不仅在细胞内丰富（图 2A），而且在体液中也丰富。据观察，蚜虫共生细菌会传递给母体内正在发育的胚胎（图2B），但具体过程尚不清楚。
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必需的共生细菌 Buchnera 以绿色显示，可选的共生细菌沙雷氏菌以红色显示，蚜虫细胞核以蓝色显示。 (一)细菌细胞团整体图片(B) 早期胚胎的总体视图。可以看出，共生菌是从胚胎的后部（右侧）感染的。左下角显示了虚线包围区域的放大图。 |
因此，我们使用透射电子显微镜观察共生菌传播的部位，并在图像中捕捉到传播过程的细节（图3）。 Buchnera 存在于母虫的真菌细胞中，被其自身的细胞壁和宿主来源的细胞膜包围（图 3B），但它特异地从早期胚胎附近的细菌细胞表面突出并释放到细胞外（图 3C），在那里它被从早期胚胎延伸的膜突出物捕获（图 3D）并被带入早期胚胎（图 3E）。
也就是说，在早期蚜虫胚胎附近，真菌细胞含有必需的共生细菌 Buchnera胞吐作用通过称为12640_12684|和相邻的早期胚胎内吞作用的细胞摄取机制所摄取。 （图1）。人们认为，这种复杂的共生细菌传播机制是为了让蚜虫能够将生存所必需的共生细菌 Buchnera 可靠地传递给它们的后代而进化的。
另一方面，作为任选的共生菌的沙雷氏菌不从细菌细胞释放，并且观察到漂浮在母虫体液中的沙雷氏菌利用布赫内拉的摄取并感染早期胚胎的过程。沙雷氏菌的这种传播过程被认为反映了蚜虫和沙雷氏菌之间共生进化的短暂历史。
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图3 共生细菌传播部位电镜观察 (A) 传输站点的总体视图。 (B) 母真菌细胞 (mb) 的细胞膜包围必需共生细菌 Buchnera (b) 的细胞壁。 (C) 从母虫的真菌细胞表面突出的共生细菌。似乎就在胞吐作用之前。在真菌细胞和早期胚胎之间的空间中也发现了可选的共生细菌沙雷氏菌。 (D) 共生细菌被困在从早期胚胎延伸的膜突出物中（内吞作用的启动）。 (E) 进入早期胚胎 (em) 的细菌表面覆盖有胚胎来源的细胞膜。构成细胞壁的两层膜用白色和黄色箭头显示，来自宿主的细胞膜用红色箭头显示。此外，早期胚胎的膜突起由黑色箭头表示。 |
这些结果表明，必需的共生细菌 Buchnera 在母虫的真菌细胞和早期胚胎相邻的有限区域中特异性地传递给下一代。这表明细菌细胞和早期胚胎之间在分子和细胞水平上存在复杂的相互作用。阐明这种母婴传播的分子机制对于理解建立细胞内共生的因素非常重要。
如果必需共生细菌的母婴传播受到抑制，宿主昆虫预计将无法生存，因此阐明这一机制可能有助于开发具有新作用机制的害虫防治方法。
未来，我想重点关注细菌细胞和早期胚胎之间的边界区域，利用下一代测序仪进行全面的基因表达分析和蛋白质组分析，开展接近分子机制的研究。