独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）生物过程研究部[研究部主任Yoichi Kamagata]首席研究员Takema Fukatsu（兼生物共生进化机制研究组组长）、高级研究员Ryuichi Koga、冲绳科学技术研究所大学院大学[校长Jonathan Dauphin]Noriyuki Sato教授等人与蒙大拿大学、美国开放大学等合作研究农业害虫称为农业害虫粉虱在共生器官的细胞内部基因组的两种减少的细菌嵌套共存，过去各种细菌被转化为昆虫基因组水平转移共生器官中发现了20多个基因表情它们对于氨基酸合成、维生素合成和细胞壁合成等共生关系至关重要，以镶嵌和相互补充的方式代谢途径这是一个超越传统智慧的复杂共生系统。
该研究成果于2013年6月21日（日本时间）发表在美国学术期刊《细胞（DOI：101016/jcell201305040）
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| （左）柑橘粉蚧（中）腹部的共生器官细菌细胞团（红色）存在（右）个体细菌细胞的细胞质中含有无定形的β共生菌（蓝色），嵌套在其中的是γ共生菌（红色），宿主的细胞核（绿色）含有多种衍生的细菌水平转移基因存在。 |
地球上存在的各种生物的最基本分类是原核生物和真核生物的分类阐明从简单的原核细胞产生更复杂的真核细胞的过程对于阐明生命的多样性和进化极其重要。关于真核生物的起源，细胞内共生理论是基础理论。在昆虫、植物、真菌、原生生物等中观察到多种内共生关系，但都是真核细胞掺入原核细胞或真核细胞的内共生关系。多年来，还没有已知的内共生例子，即一个原核细胞占据另一个原核细胞，这与理解真核细胞的进化过程有关。
然而，近年来，人们在一种叫做柑橘粉蚧的害虫体内发现了一种叫做细菌细胞团的共生器官，并且在这些细胞内发现了共生细菌Tremblayer（β共生菌)，以及β共生菌内部的共生菌莫拉内拉（γ共生菌) 已发现嵌套共生系统。随后，测定了柑橘粉虱的β-共生菌和γ-共生菌的全基因组序列，并对多种粉虱进行比较研究发现，粉虱亚科（假球菌亚科) 在柑橘粉蚧中，β-共生细菌和 γ-共生细菌以嵌套方式共存于真菌细胞中，而非那球菌e) 就葫芦粉蚧而言，真菌细胞中仅存在 β 共生细菌，这表明这可能是在获得 γ 共生细菌之前的祖先内共生系统（图 1 和 2）。
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| 图1柑橘粉虱(A)和黄瓜粉虱(B)的内共生系统结构示意图 |
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| 图2粉蚧内共生系统的多样性和估计的进化过程 |
日本综合技术研究所领导的研究小组与蒙大拿大学领导的美国研究小组合作，对柑橘粉蚧的细菌细胞进行了全面的基因表达分析和概要基因组测序（图1A），并与冲绳科学技术研究所大学院大学的研究小组合作，开始了一项研究项目，以确定粉蚧中的β共生菌的全基因组序列（图1B）并阐明粉蚧的进化过程。粉虱的内共生系统在基因组水平上由原核细胞和原核细胞组成。
本研究部分成果得到了国家农业食品研究机构生物产业技术研究支援中心和文部科学省科研补助金的资助。
我们确定了黄瓜粉蚧 β-共生菌的基因组，发现了 175 个蛋白质代码由于柑橘粉虱的β共生菌拥有121个蛋白质编码基因，据估计，自从柑橘粉虱的祖先获得γ共生菌以来，β共生菌的基因组中至少丢失了50个基因（图2）。
黄瓜粉虱的大多数 β 共生细菌是翻译虽然拥有一组相关基因（图3B蓝色），但大部分翻译相关基因组在柑橘粉蚧的β共生菌中丢失，而γ共生菌的基因组（图3A橙色）补充了它们的代谢途径。换句话说，推测β共生细菌随着γ共生细菌的获得而失去了翻译相关基因。
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图 3 柑橘粉蚧 (A) 和黄瓜粉蚧 (B) 内共生系统中翻译相关基因的组成
● 的颜色表示基因的起源或存在（参见图例）。 ● 的数量代表属于该类别的基因数量。例如，编码氨酰-tRNA合成酶的基因有20种，对应于构成蛋白质的20种氨基酸。 |
由于介壳虫只以植物汁液为食，几乎不含蛋白质，因此一生中与10种共生细菌必需氨基酸是必须的。在黄瓜粉虱的β共生菌中，只有色氨酸和精氨酸两种必需氨基酸，其所有合成基因都可用，而其他八种必需氨基酸的合成途径不完整（图4B）。同样，在柑橘粉蚧中，只有色氨酸和精氨酸这两种必需氨基酸，所有合成系统基因都可用，但合成系统是由β共生菌基因（图4A，橙色）和γ共生菌基因（图4A，蓝色）的镶嵌组合完成的。同样，对于其他八种必需氨基酸，β-共生菌和γ-共生菌的基因以马赛克模式组合，构建了不完整的合成途径（图4A）。
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图4柑橘粉蚧(A)和丝柏粉蚧(B)内共生系统中必需氨基酸合成的基因组成
●为氨基酸合成系统的基因（上下字母为基因名称），按照氨基酸合成途径的顺序列出。 ● 的颜色表示基因的起源或存在（参见图例）。 |
为了阐明共生菌必需氨基酸合成途径中缺失的基因，我们全面分析了柑橘粉虱共生器官和全身表达的宿主昆虫基因。结果发现，许多被删除的基因似乎得到了在共生器官中表达的具有相似功能的宿主昆虫基因的补充（图4A，绿色）。然而，发现这三个缺失的基因并不是由宿主昆虫的基因补充的，而是由不同于β-和γ-共生细菌的细菌衍生的基因补充的（图4A，黄色）。
作为共生细菌提供的营养物质很重要维生素 B的合成基因组，获得了类似的结果。 （图5）。在柑橘粉虱核黄素（维生素B2）合成途径的四个基因中，两个是来自γ共生菌的基因（图5A，核黄素橙色），而其余两个是来自与β和γ共生菌不同的细菌的基因（图5A，核黄素黄色）。关于生物素（维生素B7），除了γ共生菌的6个基因（图5A中的生物素橙）外，最后阶段的3个基因（图5A中的生物素黄）来自其他细菌。
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图5柑橘粉虱(A)和黄瓜粉虱(B)内共生系统中维生素B (VB)合成基因的组成
●是VB合成系统的基因（上面的字母是基因名称），它们按顺序显示在VB合成途径上方。 ● 的颜色表示基因的起源（参见图例）。 |
细胞壁合成基因组的结果更为极端（图 6）。它是柑橘粉虱共生器官中细菌细胞壁的主要成分。
肽聚糖的合成基因组中，只有两个基因来自γ共生菌（图6，橙色），其余都是来自与β和γ共生菌不同的细菌的基因（图6，黄色）。
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图6 柑橘粉蚧内共生系统中细胞壁合成基因的组成 ●是细胞壁合成系统的基因（上下字母是基因名称），它们按照肽聚糖合成途径的顺序列出。 ● 的颜色表示基因的起源或存在（参见图例）。 |
对柑橘粉蚧的基因组分析证实，源自与这些β-共生细菌和γ-共生细菌不同的细菌的所有基因都存在于宿主昆虫的核基因组中。换句话说，粉虱不仅在其细胞内筑巢有两种类型的共生细菌，而且还通过水平转移从多种细菌中获得了各种代谢基因。人们发现，粉虱之所以能够生存，是因为这些共生菌的基因与水平转移的基因相结合，构建了一条功能性代谢途径，这是一个超越传统智慧的复杂共生系统。
作为分子系统发育分析的结果，许多水平转移的基因沃尔巴克氏体、立克次体、Sodalis、Arsenophonus、Cardinium。然而，迄今为止，柑橘粉虱并未被这些共生细菌感染。据推测，粉虱的祖先在某个时候被这些共生细菌感染，并且在一些基因水平转移到核基因组后，感染消失（图7）。
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| 图7 柑橘粉蚧内共生系统进化过程概念图 |
这一发现为生物体中的个体、细胞和基因组是什么以及它们是如何构建和进化的基本问题提供了新的视角。例如，在内共生理论中，仅保留了线粒体和叶绿体等部分细胞内细胞器，而大多数共生细菌在仅水平转移一些基因到宿主核基因组后就消失了，而这种水平转移的基因也促进了真核细胞的进化。奇美拉
未来，我们计划分析构建粉虱内共生系统的宿主昆虫基因、β共生菌基因、γ共生菌基因以及水平转移基因编码的蛋白质等基因产物的功能，以详细阐明这一复杂的共生系统是如何构建和发挥作用的。
此外，通过探索和阐明不同生物体中的内共生系统，我们希望澄清粉虱中发现的这种现象是否是独特的，或者在其他生物体中也观察到，并探讨共生进化与水平基因转移之间的关系。