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[研究部主任田村智博]生物共生进化机制研究组首席研究员（兼）研究组组长竹间深津、AIST技术实习生海和菜美、前AIST特别研究员细川孝宏（现任九州大学助理教授）等人以及国立自然科学研究所、国立基础生物学研究所的大学间研究所[山本所长]雅之]（以下简称“国立基础科学研究所”）秀治重信副教授等与日本开放大学、东京大学共同合作，Kunugi 臭虫唯一发现于蛋块果冻的产生机制、化学成分、生理功能及适应性意义得到澄清。
军木臭虫分布在包括日本在内的亚洲各地，在深秋时节，它们会在橡树和其他树木的树干上产下覆盖着果冻状物质的卵块。幼虫在冬季中期孵化，仅以果冻为食，并在早春开始吸食植物汁液。半乳聚糖雷生长所需的营养和生命所必需的营养，以春天的植物汁液为食共生细菌被发现支持臭虫的独特生态。琼脂、卡拉胶、果胶在藻类和植物中已知，但动物是例外，阐明它们的生物学功能具有基础和应用意义。
该研究成果于2014年9月26日1:00（日本时间）发表在美国学术期刊《当前生物学” （当代生物学）。
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| 成年雌性椿象，产下的卵块上覆盖着果冻状物质 |
昆虫占迄今为止所描述的生物物种的大多数，并且作为在陆地生态系统中发挥主要作用的动物群，人们已经进行了各种研究和开发以利用其复杂且多样化的生物学功能。
世界上已知的椿象（半翅目：异翅亚目）有40,000多种，日本有1,500多种，它们是农业和经济上重要的昆虫类群，因为它们是许多农作物的重要害虫。众所周知，吸食植物汁液的臭虫肠道内含有对其生存至关重要的共生细菌，并参与重要的生物功能，如营养供应、植物适应和杀虫剂抗性。
臭虫科7属约80种，主要分布在东南亚，日本有2属5种。这些相关物种日本椿象和日本椿象的雌性成虫腹部肿胀，在深秋（11 月左右）聚集在橡树和橡树的树干上，产下覆盖着果冻状物质的卵块（图 1A）。果冻里面呼吸管埋入两排（图1B、C）。幼虫在仲冬期间的二月左右孵化，仅以这种果冻为食，生长到第三龄，并在三月下旬至四月初的花蕾期开始吸食植物汁液（图1D）。自 1910 年代起，日本就有关于这种不寻常行为的报道，虽然一些昆虫爱好者和昆虫摄影师都知道它，但近 100 年来一直没有对其进行认真的研究。
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| 图1 椿象的卵块 |
| (A) 成年雌性在树皮上产下覆盖着果冻的卵块。 (B) 卵块的放大图像。可以看到一根呼吸管从果冻层中伸出。 (C) 分离的鸡蛋。箭头表示呼吸管。 (D) 第一龄幼虫聚集在果冻周围。 |
在AIST，我们正在阐明在昆虫体内共生的微生物的重要生物学功能（2004 年 3 月 26 日、2007 年 6 月 13 日、2009 年 12 月 22 日、2012 年 4 月 24 日、2014 年 7 月 1 日AIST 新闻稿），了解昆虫与共生微生物之间的高级生物相互作用 (2007 年 7 月 2 日、2012 年 5 月 28 日AIST 主要研究成果，2002 年 10 月 29 日、2013 年 6 月 11 日、2013 年 6 月 21 日AIST 新闻稿），并产生了大量世界领先的研究成果。
特别是关于昆虫产生的功能物质的鉴定，请参考《兵蚜攻击毒蛋白酶》（2004 年 7 月 27 日AIST 新闻稿）和“阐明红蜻蜓变红的原因”(2012 年 7 月 10 日AIST 新闻稿）。
基础生物科学研究所生物功能信息分析实验室拥有最新的新一代DNA测序仪，在昆虫共生细菌等生物体基因组分析方面取得多项成果。
此次，我们合作进行了一系列研究，阐明了至今仍笼罩在神秘之中的椿象虫卵块胶的产生机制、化学成分、生理功能和适应性意义。
本研究的部分成果是在文部科学省科学研究补助金（S）的支持下完成的。
使用从田间收集的臭虫卵块，制作收集时的卵块（对照组）（图2A）、去除果冻后的卵块（图2B）和去除果冻后返回的卵块（图2C），并在实验室中观察每个卵块中幼虫的发育。虽然卵孵化率没有变化（图2D），但由于果冻的去除，二龄蜕皮率显着下降（图2E），并且没有幼虫能够蜕皮到三龄（图2F）。此外，去胶组的二龄幼虫明显小于对照组，且其生长受到抑制（图2G）。在添加果冻的组中，观察到第二龄和第三龄蜕皮率显着恢复（图2E、F）。这些结果表明，以果冻为食对于椿象幼虫的生存和生长至关重要。
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| 图2 果冻喂养对椿象幼虫的影响 |
| (A) 完整的卵块。 (B) 去除果冻的蛋块。 (C) 去除果冻后卵块返回。 (D) 对蛋孵化率的影响。 (E) 对二龄蜕皮率的影响。 (F) 对第三龄蜕皮率的影响。 (G) 2 龄幼虫体型比较。不同的字母表示统计上显着的差异，ns表明没有显着差异。 |
对果冻成分的分析显示，其中 60% 是水、26% 碳水化合物（糖）和 8% 蛋白质（氨基酸）。当碳水化合物被水解并研究糖成分时，90%以上半乳糖，并且发现半乳聚糖（一种主要成分为半乳糖的多糖）构成了果冻。来自藻类的琼脂和角叉菜胶、来自植物的果胶是工业上广泛使用的半乳聚糖，但来自动物的半乳聚糖的报道很少，它们可能是新的生物衍生聚合物。此外，去除果冻后返回的卵块中经常生长霉菌，这导致与完整卵块相比，第二龄和第三龄蜕皮率较低（图2E，F）。果冻的表层可能存在抗菌活性，这是未来研究的课题。
此外，我们还对椿象的卵、果冻和3龄幼虫进行了水解，研究了氨基酸的组成和含量，发现果冻中含有孵化幼虫生长到3龄幼虫所必需和充足的氨基酸。
换句话说，椿象的卵块果冻含有孵化的幼虫生长到第三龄所需的适量营养物质，这被认为使幼虫能够在严冬中生长。这种幼虫在天敌很少的冬季生长，到了春天芽芽萌发时，幼虫已经长大并以营养丰富的新芽为食的生态，被认为对椿象具有很大的适应意义。
当我们在产卵前解剖一只腹部肿大的雌性成虫时，发现其巨大的子房基部堆积着透明的果冻和成熟的卵，发现子房基部是果冻产生和储存的地方。当在显微镜下观察卵块果冻的内部结构时，观察到大量共生细菌的聚集体（图3A）。在以果冻为食的幼虫中，共生细菌在消化道后端积聚（图 3B）。换句话说，人们发现共生细菌是通过吃果冻获得的。
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| 图3 椿象幼虫获取果冻中的共生细菌 |
(A) 小群共生细菌分散在果冻中。绿色发光颗粒是共生细菌的集合。
(B) 共生细菌在一龄幼虫体内的定位。 |
当这种共生菌的整个基因组序列被确定后，发现虽然许多基因和代谢系统丢失，基因组极度缩小，但蛋白质合成所必需的必需氨基酸的合成系统却被保留下来。换句话说，这种共生细菌被发现具有为宿主椿象提供营养的重要功能，从春天开始，椿象就以几乎不含蛋白质的植物汁液为食。
今后，我们将确定构成果冻的半乳聚糖的结构，并分析其物理性质和生理功能。我们还想考虑果冻及其致病因子中可能存在的抗菌活性。此外，通过使用下一代DNA测序仪全面分析表达基因，我们计划阐明共生相关功能的分子机制。