独立行政法人产业技术综合研究所【会长：中钵良二】（以下简称“AIST”）生物过程研究部【研究主任：田村智博】生物共生进化机制研究组首席研究员竹间深津（兼）研究组组长松浦胜前AIST技术研修生（现为北海道大学）菊池义智环境生物学功能开发研究高级研究员日本学术振兴会（日本学术振兴会，特别研究员）小组与北海道大学研究生院地球与环境科学研究生院三浦彻副教授[主席山口敬三]合作。膜永臭虫的昆虫中共生细菌细菌细胞的发展过程和形成机制。结果，一些同源基因超双胸基因在胚胎发育过程中获得新的表达位点，导致细菌细胞的形成。
细菌细胞（专门与微生物共生的细胞）的起源多年来一直是进化胚胎学中的一个谜，但这项研究的结果阐明了其形成过程中涉及的重要分子机制，并有望为细胞分化机制、分子水平的共生机制以及抵御细菌感染做出贡献。
该成果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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一只臭虫（左）和含有大量细菌细胞的共生器官中的细菌细胞簇（右）
绿色表示共生细菌的定位，蓝色表示DNA。 |
已知的生物物种中超过一半是昆虫，作为在生物多样性中发挥核心作用的动物类群，其复杂多样的生物功能的开发和利用被寄予厚望。其中，昆虫中广泛存在的一个特性是能够在其体内和细胞内永久携带微生物，并与它们建立共生关系。许多昆虫，包括农业和卫生害虫，与细菌具有细胞内共生关系，并获得其生存所需的功能，例如提供必需的营养物质。许多内共生细菌定位并维持在宿主昆虫体内的“细菌细胞”中，这些细菌细胞是共生的专门细胞，执行重要的生物功能，并传递到母体内的下一代卵和早期胚胎。
如上所述，真菌细胞是构成昆虫和细菌之间高级共生关系基础的重要细胞，并且从害虫防治的角度受到关注，但其起源和起源长期以来一直是个谜，其形成机制也仍然未知。
在 AIST，我们正在阐明在昆虫体内共生的细菌的重要生物学功能 (2004 年 3 月 26 日、2007 年 6 月 13 日、2012 年 4 月 24 日、2014 年 9 月 26 日AIST 新闻稿），了解昆虫与共生细菌之间的高级生物相互作用 (2002 年 10 月 29 日、2013 年 6 月 11 日、2013 年 6 月 21 日、2014 年 7 月 1 日AIST 新闻稿）。
特别是，关于昆虫真菌细胞中的共生细菌，“沃尔巴克氏体的发现，一种为臭虫提供必需营养的细胞内共生细菌”（2009 年 12 月 22 日AIST 新闻稿），“我们捕捉到了生存所必需的共生细菌传播给后代的时刻！” (2012 年 5 月 28 日AIST的主要研究成果）。
虽然这次对它的研究还很少，但它有细菌细胞，RNA干扰法进行分析。
这项研究的大部分成果是由筑波大学研究生松浦胜（兼产学研技术研修生、日本学术振兴会特别研究员）在竹间深津的指导下作为博士课程研究项目完成的。此外，本研究的部分成果得到了文部科学省科学研究补助金的资助。
臭虫的肠道内一般都有共生细菌，但臭虫的细菌细胞内却有共生细菌施奈德利亚（施奈德利亚)的共生细菌。当我们检查臭虫体内共生细菌的分布时，我们发现它们在产卵后立即集中在卵的前端（图1A），但在成熟胚胎中它们已经定位在腹部两侧的一对真菌细胞簇中（图1B），并且即使当昆虫从幼虫生长到成虫时也保持相同的定位（图1C，D）。
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| 图1 椿象体内共生细菌和真菌细胞团的分布 |
| (A) 鸡蛋。 (B) 成熟胚胎。 (C) 一龄幼虫。 (D) 成人。上排是明场图像，下排是共焦荧光显微镜图像。绿色表示共生细菌，蓝色表示核 DNA。 |
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| 图2 椿象胚胎发育过程中共生细菌和细菌细胞簇的分布 |
| (A) 产卵后约 48 小时。 (B) 产卵后 72-84 小时。 (C) 产卵后约 96 小时。 (D) 产卵后约 120 小时。上排为胚胎形态示意图。共生细菌的分布以红色表示。底行是共焦荧光显微镜图像。绿色表示共生细菌，蓝色表示核 DNA。 |
当我们更详细地研究胚胎发育过程中共生细菌的分布时，我们发现共生细菌在产卵后48小时左右在胚胎外的腹侧表面积累（图2A），而在产卵后72至84小时，胚胎内部左右有六对细菌细胞簇原基出现，共生细菌迁移、感染和局部化（图2B）。此后，产卵后约96小时，左右6个细菌细胞团原基融合（图2C），最终形成左右一对细菌细胞簇（图2D）。
有报道称，同源异型基因产物定位于蚜虫细菌细胞中，但由于难以分析蚜虫中的基因功能，进一步的研究尚未取得进展。另一方面，可以使用 RNA 干扰分析椿象的基因功能。因此，当我们尝试使用相同的方法抑制胚胎发育过程中各种同源基因的表达时，我们观察到，当ultrabithorax基因的表达受到抑制时，细菌细胞不再形成，失去位置的共生细菌被分散（图3A，B）。进一步原位杂交方法研究Ultrabithorax基因在臭虫正常胚胎中的表达定位时，它与六对左右真菌细胞簇的原基完全匹配（图3C）。在果蝇中，ultrabithorax基因参与后胸和第一腹节的形态发生，但在椿象中，获得了ultrabithorax基因的新表达模式，并且它被认为在胚胎发育过程中的细菌细胞形成中发挥作用。
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| 图3 Ultrabithorax基因在椿象胚胎中的表达及抑制效果 |
| (A) 正常胚胎。腹部形成六对细菌细胞团原基，并定位有共生细菌。 (B) Ultrabithorax 基因表达受到抑制的胚胎。细菌细胞团原基未形成，共生菌散落。在(A)-(B)中，绿色表示共生细菌，蓝色表示核DNA。 (C) ultrabithorax 基因在正常胚胎中的表达定位。检测到六对与细菌细胞团原基相匹配的表达区域（小箭头）。胚胎前部（大箭头）的表达是后胸和腹节前端的表达，这是Ultrabithorax基因的原始表达区域。 (A)-(C) 是产卵后约 84 小时的胚胎。 |
还有其他影响细菌细胞形成的同源基因。触角足基因在果蝇中调节腿的形成，但是当利用RNA干扰在椿象胚胎中抑制其表达时，细菌细胞团的位置移动到胚胎的前面，并且一些个体在腿中形成了细菌细胞。腹部A基因在果蝇中控制2至8腹节的形成，但当其在椿象胚胎中表达受到抑制时，真菌细胞簇的融合不完全，细胞破碎成多个细胞簇。然而，这些基因的表达模式与左右六对细菌细胞原基并不匹配。
总之，研究表明，在果蝇和其他动物的发育和形态发生中发挥极其重要作用的同源异型基因，除了在椿象中的原始功能外，还被转移到真菌细胞的形成中。这项研究在理解支持昆虫和细菌之间高度共生关系的细菌细胞形成机制方面取得了重大进展，这一直是进化胚胎学中长期存在的谜团。
今后，我们计划特别对臭虫中的Ultrabithorax基因的表达控制机制进行研究，并探索获得臭虫胚胎特有的表达模式的机制。我们还分离了椿象胚胎的真菌细胞团原基区域，下一代 DNA 测序仪表达基因进行全面分析促进细菌细胞分化相关基因网络的完整阐明。如果共生细菌在椿象胚胎发育过程中识别真菌细胞团原基并特异性感染它信号分子如果能够鉴定出来，这可能会导致感染控制技术的发展，不仅包括昆虫共生菌，还包括病原菌，我们将从这个角度继续进行研究。