国立先进产业科学技术研究所[主席吉川博之]（以下简称“AIST”）生物功能工程研究部[主任岩仓正宏]生物共生相互作用研究小组研究组组长 Takema Fukatsu 和合作研究人员 Takahiro Hosokawa 发现，让一种名为黑蝽的豆科害虫以大豆等农作物作为食物的特性，而不是昆虫自身的基因肠道共生菌已经决定了。
昆虫最初在自然界中以野生植物为食物。其中，某些已获得利用大量单一方式栽培作物的能力的遗传系是新出现的害虫''并且可以传播并造成重大农业损失。此前，人们认为此类害虫品系是由昆虫本身的基因型决定的。然而，这项研究实际上表明，体内共存的微生物可以赋予害虫特性。这为昆虫的进化及其转化为害虫的起源提供了新的视角，并提示了共生细菌作为害虫防治新靶标的可能性。这项研究成果不仅引起了微生物学、昆虫学、生态学等基础科学的关注，也引起了农业和害虫防治等应用领域的关注。
该研究成果发表在英国学术期刊《英国皇家学会会刊 B''（英国皇家学会会议记录）网站。
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| 照片：一只棕色臭虫的成虫。我可以看到我脚下的蛋块。 |
昆虫取食对农业生产造成的危害是巨大的，其预防和对策是重要的社会问题。可以毫不夸张地说，农业、育种、病虫害防治等学术领域都有系统化的措施来解决这些问题。
农作物是在其原始物种的基础上进行高度培育的，并且在大多数情况下，它们生长在远离原产地的世界各地。因此，许多重要害虫最初不一定以这些作物为食。人们认为，一些依赖本土野生植物的昆虫谱系已经获得了利用大量单一栽培作物的能力，并且经常作为“新兴害虫”传播。育种涉及开发对此类害虫具有抗性的作物品系并将其引入田间，而害虫防治则涉及开发和喷洒有效的杀虫剂来对抗此类害虫。因此，在一段时间内，害虫似乎受到了控制，但这些抗药性作物迟早会被克服，或者对农药产生抗药性的新害虫品种将进化并再次在田间传播。害虫防治的历史就是这场猫鼠游戏的重演。
阐明昆虫获得以农作物为食物的能力的过程及其具体机制对于了解新出现害虫的起源和制定防治策略极为重要。传统上，新出现的害虫被认为是由昆虫本身的遗传变异引起的。
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。
近年来，我们重点研究和开发马卡虫肠道内的共生细菌，作为共生研究的一种新的、有用的模型系统。胶囊输送系统
马库斯虫的肠道中有某些细菌（我们称之为石川细菌）。石川埃拉)，并且具有如此密切的共生关系，没有这种细菌就不可能正常生长和繁殖。有趣的是，当母甲虫在植物上产卵时，它们也会产下棕色的小块。这些实际上是含有肠道共生细菌的“共生细菌胶囊”，当孵化的幼虫将其长鼻插入胶囊并摄入内容物时，就会形成共生细菌的感染（图1）。母虫为幼虫准备含有共生细菌的“午餐盒”的系统是独特的，通过在实验室中利用这种共生系统，可以进行各种原本不可能进行的实验操作。例如，通过在立体显微镜下用镊子将卵和胶囊分离并重新组合，共生细菌可以在宿主昆虫种群、物种和属之间自由交换。通过仅收集胶囊，可以制备纯净的共生细菌 DNA 样本，而不会受到宿主昆虫 DNA 的污染。
马库斯错误点状巨齿蝽（图2左）分布于本州至屋久岛，主要食物为野葛，但常侵入大豆田，吸食汁液，繁殖，造成农业损害。另一方面，台湾臭虫Megacopta cribraria（图2右）分布于南西群岛，主要食物是杂草葛根，但据说几乎不会造成农业损害。
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图 1：棕色斑纹蝽的孵化幼虫将其长鼻插入胶囊并获得共生细菌。红色箭头表示共生细菌荚膜，蓝色箭头表示蛋壳。刻度为 1 毫米。 |
为什么黑蝽会造成农业损失，而密切相关的台湾蝽却不会？在实验室相同条件下在盆栽大豆中饲养时，两个物种均生长正常并产卵，但日本蝽的下一代卵孵化率正常，而台湾蝽的下一代卵孵化率显着下降（图3和图4）。换句话说，台湾斑蝽在吃大豆的情况下无法成功繁殖。
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图 2：成年大理石椿象（左）和台湾大理石椿象（右）。刻度为 1 毫米。 |
因此，在胶囊交换实验中，我们交换了两个物种之间的共生细菌，并将它们种植在盆栽大豆植物中。令人惊讶的是，台湾马卡蝽的下一代卵的孵化率恢复正常，但马卡蝽的孵化率却急剧下降（图3和图4）。换句话说，通过物种之间的共生细菌交换，被认为是非害虫物种的台湾椿象臭虫能够利用大豆，而被认为是害虫物种的马卡椿象不再能够在大豆上成功繁殖。
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图3：在大豆上饲养的日本大理石蝽和台湾大理石蝽的卵孵化率。肠道共生细菌的替代完全逆转了鸡蛋的孵化率。 |
这些结果表明，椿象利用农产品作为食物的能力不是由椿象自身的基因型决定的，而是由其肠道共生细菌决定的。这项研究是世界上第一份明确表明体内共生微生物可以引起害虫的报告。各种农业害虫中的一些可能通过使共生细菌突变或通过获得新的共生微生物而成为害虫。
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图4：在大豆上饲养的日本大理石蝽和台湾大理石蝽的卵孵化。只有当臭虫有共生细菌时才能观察到成功孵化。刻度为 1 毫米。 |
未来的挑战是阐明共生细菌调节宿主昆虫转化为害虫的具体生理和分子机制。我们目前正在对害虫物种日本马丁椿象和非害虫物种台湾马丁椿象的共生细菌进行全基因组分析。对两性共生细菌基因组序列的详细比较将为了解哪些遗传变异对作物的可用性负责提供具体的见解。这项研究提出了一个有趣的假设，即共生细菌可能参与了新兴害虫的进化，但从这个角度考虑各种害虫的可能性也很重要。通过这些研究，我们计划调查共生微生物参与将昆虫变成害虫的现象的多样性、普遍性和工业应用潜力。