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]环境生物学功能开发研究组菊池义智研究员、生物共生进化机制研究组研究组组长竹间深津等人为独立行政法人国立农业环境技术研究所[会长宫下义孝]（以下简称“农业环境研究所”）研究员早津雅仁和冲绳县农业研究中心生物生态系统研究领域研究员 Kanako Tago（主任：坂本盛明）（以下简称“冲绳农业研究所”）害虫管理技术开发小组 Atsushi Nagayama 与研究人员合作，发现大豆臭虫是一种难以控制的害虫，它吸收环境土壤中的杀虫剂降解细菌并在其体内共存。杀虫剂抗性。
迄今为止，全球已有约500种害虫对杀虫剂产生抗药性的报道，给农业和公共卫生带来了问题。传统上认为杀虫剂抗药性是由害虫自身基因决定的，但这一发现颠覆了这一传统观点，为害虫抗药性的进化和害虫防治策略的制定提供了新的视角。
该研究成果于2012年4月24日（日本时间）发表在美国学术期刊《美国国家科学院院刊''（《美国国家科学院院刊》）。
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| 图1 大豆叶上的臭虫 |
近年来，由于气候变化和人口增长导致全球粮食短缺，农药对于稳定粮食供应变得越来越重要，尽管存在环境影响和农药残留问题。此外，使用杀虫剂对于控制吸血卫生害虫（例如传播疟疾的按蚊和传播昏睡病的采采蝇）以及白蚁和蟑螂等家庭害虫至关重要。
另一方面，人们早就知道，连续使用单一杀虫剂往往会导致出现对杀虫剂产生抗药性的害虫。迄今为止，据报道约500种农业、卫生和家庭害虫已经对杀虫剂产生了抗药性，这已成为一个主要问题。已经报道了抗性机制的各种例子，例如解毒能力的提高和目标蛋白的结构变化，但传统观点认为这些特性是由昆虫自身基因决定的。许多害虫体内都有共生微生物，虽然有人指出共生微生物可能影响宿主害虫的抗药性，但目前尚未得到证实。
抗药性害虫的出现可以说是研制杀虫剂的人类与产生抗药性的害虫之间的一场“永无休止的战斗”，类似于医学领域的多重耐药病原体问题。由于新杀虫剂的开发需要大量的成本和时间，因此防止抗性的产生极为重要，而为此，了解抗性产生的机制是最重要的问题。
在AIST，我们专注于昆虫体内共生微生物的先进生物学功能，并一直从事各种研究（2004 年 3 月 26 日 AIST 新闻稿、2010 年 11 月 19 日 AIST 新闻稿）。近年来，我们重点研究臭虫，其中包括许多难以防治的害虫，在此过程中发现被誉为大豆害虫的臭虫（图1）具有独特的微生物共生系统。椿象的胃肠道有许多称为死胡同的囊状结构（图 2B），其内部伯克霍尔德杆菌的细菌与其共存（图2C）。在大多数昆虫中，共生细菌直接从母亲传播给后代（垂直传播），但就椿象而言，我们发现幼虫通过每一代吸收新的伯克霍尔德杆菌而栖息在环境土壤中并共存（环境获得）。
农业与环境研究所一直致力于土壤微生物的多种功能研究，旨在利用微生物改良农田、净化环境。微生物的有用功能之一是分解和净化化学物质，包括农药。迄今为止，国家农业与环境研究所已分离鉴定出包括伯克霍尔德氏菌在内的多种杀虫剂降解细菌。
这一成果是将产业技术研究院共生微生物的研究成果和国立农业环境研究所积累的农药降解菌研究成果有机地整合和发展而获得的。此外，冲绳农业研究所在调查室外椿象种群中杀虫剂降解细菌感染的实际状况方面发挥了核心作用。
该研究得到了国家农业与食品研究机构生物产业技术研究支持中心的“创新基础研究促进项目（BRAIN）”的支持。
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图2 椿象的消化道和共生器官的照片 (A) 椿象的胃肠道照片。箭头表示共生器官。 (B) 共生器官的放大图像。出现了许多死胡同（用△表示），并且（C）它们充满了共生细菌伯克霍尔德氏菌（通过用绿色荧光染料对伯克霍尔德氏菌染色观察到）。 |
杀螟松是世界范围内广泛使用的杀虫剂之一，是一种有机磷化合物。据报道，多种土壤细菌可降解杀螟硫磷并将其用作碳源。杀螟松通过降解细菌分解成 3-甲基-4-硝基苯酚，对昆虫几乎无毒，然后通过多个步骤用作碳源（图 3，顶部）。农田土壤中杀螟松降解菌的存在频率较低，但其密度随着杀螟松的持续施用而增加。
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（上）杀螟松的分解过程。 （下）含杀螟松的培养基上的降解活性。由于杀螟松的分解，降解菌菌落周围您好已形成。 |
伯克霍尔德氏菌是臭虫的一种共生细菌，通常生活在环境土壤中，幼虫在生长过程中通过口服摄入伯克霍尔德氏菌，每一代都会建立新的共生关系。与不共存的臭虫相比，与伯克霍尔德杆菌共存的臭虫的体型和产蛋量显着增加，这表明伯克霍尔德杆菌在宿主臭虫的营养代谢中发挥着重要作用。
当我们从多个地区的农田土壤中分离鉴定伯克霍尔德杆菌以及生活在那里的臭虫时，我们发现从土壤中分离出的伯克霍尔德杆菌含有少量降解杀螟硫磷的菌株（图3，底部）。
这些能降解杀螟松的伯克霍尔德杆菌（杀螟松降解菌）和不能降解杀螟松的伯克霍尔德杆菌（非降解菌）被椿象感染，并比较了它们对宿主的影响。结果表明，感染杀螟硫磷降解菌的臭虫与感染非降解菌的臭虫在共生菌定植率、宿主存活率、生长速度、体型等方面没有观察到显着差异。然而，与感染非降解细菌的臭虫相比，感染杀螟松降解菌的臭虫对杀螟松的抵抗力显着增强（图4）。这些结果清楚地表明椿象宿主通过共生细菌感染获得了杀虫剂抗性。
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图4 用杀螟硫磷处理的臭虫的存活率 如果你用杀螟松降解菌感染它，它几乎永远不会死。显示了两个臭虫品系（TKS-1（左）和 TKA-7（右））的结果。 |
对日本各地的 846 只臭虫进行感染调查时，未检测到杀螟硫磷降解菌（0%）。当对水稻害虫、侏儒臭虫和甘蔗害虫中华小蝽（两者均与伯克霍尔德氏菌共存）进行类似的感染调查时，仅在一小部分中华小蝽中确认了杀螟硫磷降解菌的感染（约8%）。换句话说，发现日本蝽田种群中杀螟硫磷降解菌的感染率普遍较低。在国内农田中，杀螟松的使用次数每年被限制在1至3次，因此许多农田土壤中杀螟松降解菌的密度被认为仍低于检测限。
当在室外农田收集的土壤上试验喷洒杀螟松（每周一次，共4次）时，土壤中杀螟松降解菌的密度增加，从土壤中分离培养的细菌80%以上表现出杀螟松降解活性。当在以这种方式增加了杀螟松降解菌的土壤中种植大豆并在土壤中饲养臭虫幼虫时，90%以上的个体在成虫时就获得了杀螟松降解菌。这表明持续喷洒杀虫剂不仅增加了土壤中杀虫剂降解菌的数量，而且促进了降解菌对臭蝽害虫的侵染，进而可能导致害虫获得杀虫剂抗药性。
根据这些结果，可以认为共生细菌伯克霍尔德氏菌在害虫中获得杀虫剂抗性是通过以下过程发生的（图5）。
①连续喷洒农药，导致土壤中农药降解菌大量繁殖。
② 椿象从土壤中吸收这些杀虫剂降解细菌并与之共存。
③ 与杀虫剂降解菌共生的臭虫获得杀虫剂抗性。
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| 图5共生菌产生害虫抗药性的机制示意图 |
这一结果在国际上首次证明共生微生物可以参与害虫的抗药性。迄今为止，人们一直认为杀虫剂抗性的获得是由于害虫自身基因发生突变，害虫种群中出现的抗性个体是通过杀虫剂的使用而选择出来的，种群中的个体数量逐渐增加并变得明显。共生细菌获得杀虫剂抗性机制的发现并没有否定传统的杀虫剂抗性发展模型，而是提出了一种新的杀虫剂抗性发展模型。
未来，我们将继续对这种杀虫剂降解伯克霍尔德杆菌的全基因组进行测序，并研究宿主臭虫感染伯克霍尔德杆菌前后基因表达的变化下一代测序仪对其进行全面分析通过这些研究，我们希望阐明当共生细菌感染产生杀虫剂抗性时，宿主臭虫的基因表达和代谢系统是如何受到影响的，并阐明这种现象的分子基础，这无论从基础还是应用角度都具有重要意义。
此外，作为一项重要的应用研究，有必要评估农药的施用导致农业土壤中降解杀虫剂的伯克霍尔德氏菌积累以及降解细菌感染椿象的程度。我们计划对田间试验农用地进行调查，以明确土壤中微生物群落动态对寄主害虫环境适应的影响。
阐明共生微生物增强害虫抗药性的机制可能会导致新的防治技术的发展，以防止害虫产生抗药性，我想从这个角度进行我的研究。
”共生体介导的杀虫剂抗性"
（由于共生细菌而产生杀虫剂抗性）