独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）生物过程研究部[研究部主任镰形阳一]首席研究员古贺龙一、生物共生进化机制研究组组长深津竹间、独立行政机构理化学研究所土田勉[野依良治会长]（以下简称“理化学研究所”）核心研究所[玉尾晃平所长]与基础科学研究人员合作，提取了立克次体属来自欧洲豌豆蚜种群。立克次体) 新共生细菌并发现红色蚜虫感染这种共生细菌后会变成绿色。
生物体颜色是生物极其重要的属性，具有多种功能，如同种/异种的识别信号、交配行为中的结婚色、天敌的隐藏色、警示色、拟态色等。这种生物体的重要特性，例如从外部一眼就能看到的“体色”，可以通过体内的共生细菌而发生巨大改变的现象是完全未知的。这一发现为理解生物的生态和环境适应提供了新的视角。
该研究成果发表在美国学术期刊科学
 |
|
图1 绿蚜虫（左）与红蚜虫（右）是同一个克隆，但由于感染了共生细菌立克次体，其体色变成了绿色。
|
微生物的多样性远远超过动植物。微生物的各种生理活性已被应用于医药、农药、食品、燃料、洗涤剂等多个领域，支撑着人们的生活，创造了巨大的经济价值。大多数这些生理活性物质是利用基于分离和培养的微生物研究方法生产的，但自然环境中有些物质很难用常规方法处理。难以培养微生物广泛存在。最近的研究表明，构成地球上已知生物物种大多数的许多昆虫体内都含有难以共生培养的微生物，并且作为“未开发的遗传资源”而受到关注。
此外，生物如何通过进化过程获得多种生物功能的问题激发了科学的好奇心和探究精神。阐明昆虫通过共生细菌获得生物功能的机制将有助于回答这些问题，并进一步了解生物功能获得及其进化的起源。
产业技术研究院针对难以培养的共生微生物开展了各种研究，目前已阐明了蚜虫共生菌所带来的新生物学功能（2004 年 3 月 26 日新闻稿、2010 年 9 月 28 日新闻公告）。
过去几年，法国农业研究所让·克里斯托夫·西蒙我一直在与博士合作。等人创建了人工感染多种共生细菌的具有不同遗传背景的欧洲豌豆蚜菌株，全面探索和阐明共生微生物对寄主蚜虫各种特性的影响，以及寄主蚜虫基因型和共生微生物的影响。这一发现是该项目的意外结果。
这项研究得到了日本学术振兴会日法交流促进项目（SAKURA计划）和日本文部科学省新学术领域研究“阐明复杂适应性特征进化的遗传基础”的支持。
许多动物都有色觉，并利用颜色作为识别环境、栖息地、食物、天敌、竞争对手和配偶的线索。换句话说，动物体色是一种重要的生态属性，经常涉及物种识别、交配竞争、拟态、警告色、隐藏色等。
已知的蚜虫种类超过 4,000 种，其中包括许多重要的农业害虫种类，但即使在同一种类内，也有许多种类表现出不同的颜色。例如，在西方豌豆蚜种群中，红色和绿色蚜虫在种群内共存（图1）。从生态学角度的研究表明，同一物种内不同颜色个体共存的机制似乎与不同捕食者的不同颜色偏好有关。蚜虫的主要天敌是瓢虫和寄生蜂，但瓢虫倾向于捕食绿色植物上显眼的红色蚜虫，而寄生蜂则更频繁地在绿色蚜虫上产卵。
遗传学研究表明，在豌豆蚜的体色中，红色比绿色占主导地位。此外，基于最近发表的豌豆蚜基因组序列摘要的研究表明水平基因转移已获得类胡萝卜素去饱和酶决定了车身颜色。带有该基因的蚜虫可以合成红色的类胡萝卜素色素，导致其颜色为红色，而缺乏该基因的蚜虫则呈绿色。
通过与法国农业研究所的联合研究，我们从欧洲田间种群中收集了蚜虫品系，发现了几个绿色母体产下红色幼虫的品系。随着这些品系幼虫的生长，体色由红色变为绿色，从4龄幼虫到成虫，则变成全绿色（图2）。
 |
|
图 2 从左到右分别是 0 天、4 天、11 天和 15 天龄的 CGt10 菌株的蚜虫。在生长过程中，体色由红色变为绿色。
|
这些蚜虫菌株共生细菌菌群时，我们发现它除了必需的共生菌Buchnera之外，还感染了两种共生菌。其中一名感染了已知的共生细菌汉密尔顿氏菌或沙雷氏菌。此外，立克次体 (立克次体)属的共生菌共同感染（图3）。对来自欧洲豌豆蚜种群的 353 个体进行的研究表明，其中 28 个体（79%）感染了立克次体，表明在自然界中广泛分布（图 4）。
 |
|
图 3 在蚜虫体内，立克次氏菌（红色）定位于次生真菌细胞（A，箭头）和微小扁平鞘细胞（B，箭头），与定位于初级真菌细胞的布氏菌（绿色）呈现不同的分布。蓝色是蚜虫细胞核。 (C) 立克次体的透射电子显微镜图像。 m是线粒体。
|
 |
|
图4 法国各地豌豆蚜种群立克次体感染率
|
 |
|
图5 具有相同遗传背景的立克次体感染/未感染蚜虫品系的创建方法
|
从感染立克次氏菌的蚜虫中收集血淋巴，显微注射到未感染的品系中，并将后代单独饲养，以产生大量具有相同遗传背景但仅在立克次氏菌感染/未感染方面有所不同的蚜虫品系（图5）。结果，感染立克次体的红色型蚜虫全部变绿（图6）。
 |
|
图 6 由于立克次体感染，红蚜谱系的体色变为绿色。上部是外部。下排显示体色（色调角）的定量值。小值显示为红色，大值显示为绿色。近似的车身颜色显示在图表的右侧。
|
另一方面，当原本是绿色的菌株感染立克次体时，没有观察到特别的变化。针对这三种蚜虫菌株创建了感染立克次体和未感染的个体，并比较了体重、生长速度、后代数量和寿命，但几乎没有观察到显着差异。换句话说，发现立克次体将其体色从红色变为绿色，但对寄主蚜虫没有任何特别的负面影响。
蚜虫的体色主要由黄色至红色的类胡萝卜素色素和绿色至蓝色的多环醌色素组成。对感染立克次氏体的绿蚜虫和未感染的红蚜虫的色素分析显示，类胡萝卜素色素的成分或含量没有显着差异。另一方面，虽然绿色色素的组成不随感染状态而改变，但感染的蚜虫中绿色色素的量比未感染的蚜虫增加了三倍以上。据推测，立克次体感染会以某种方式激活宿主蚜虫体内绿色色素的产生，从而导致体色发生变化。
当感染立克次体后，体色由红变绿，瓢虫就很难吃掉，但预计会更容易受到寄生黄蜂的攻击。有趣的是，大多数感染立克次氏菌的蚜虫（约 80%）也感染了共生细菌汉密尔顿氏菌或沙雷氏菌。汉密尔顿氏菌和沙雷氏菌通过杀死产卵和幼虫来赋予对寄生黄蜂的抵抗力。这表明立克次氏菌可能会提高寄主蚜虫的存活率，进而提高其自身的存活率，方法是将蚜虫的体色改为绿色，使其不易捕食瓢虫，并与共生细菌共同感染，使绿色蚜虫对喜欢产卵的寄生黄蜂产生抵抗力。
到目前为止，还没有关于共生细菌可能影响或改变任何种类正常动物体色的报道。这项研究成果是世界上第一份报告表明体内共生细菌与自然界生物体的体色有关。
未来，我们将继续对立克次氏菌全基因组进行解码，利用新一代DNA测序仪全面分析寄主蚜虫感染立克次氏菌前后的基因表达变化。通过这些研究，我们希望阐明共生菌立克次氏菌感染影响寄主蚜虫基因表达和代谢系统，导致寄主昆虫体色发生剧烈表型变化的分子机制。
我们还想测试以下假设：立克次体改变其体色，使其不易被瓢虫进食，并通过与对寄生黄蜂提供抵抗力的汉密尔顿氏菌和沙雷氏菌共同感染，提高其宿主蚜虫的存活率，进而提高其自身的存活率。
阐明共生微生物改变宿主生物体颜色的机制可能会导致未来高效色素生产方法和控制生物体颜色和外观的新技术的发展，我们计划从这个角度研究这种有趣的生物现象。