国立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】环境生物功能开发研究组菊池义智，北海道大学法人农学研究科首席研究员，武间深津生物过程研究部首席研究员（兼）研究组组长菊池义智环境管理研究部进化机制研究组[研究主任田中干也]环境微生物研究组堀智之首席研究员等为国立大学法人北海道大学[校长山口敬三]（以下简称“北海道大学”）农学研究科农学研究科特聘教授浅野幸三农学研究科博士生二年级生大林与日本开放大学翼等人合作，国立农业与环境科学研究所和釜山国立大学（韩国）的研究表明，臭虫被称为农作物害虫，能够通过消化道中形成的狭窄，识别随食物摄入的各种细菌中的特定细菌。共生细菌仅选择共生器官
这一结果首次阐明了与获得臭虫害虫常见的共生细菌相关的独特机制，并有望通过抑制肠道共生的建立来开发控制害虫的新方法。
该研究成果于2015年9月1日（日本时间）发表于美国学术期刊美国国家科学院院刊（《美国国家科学院院刊》）。
 |
一只臭虫（左）和喂食食用色素的臭虫的消化道（右）
染料在消化道中心的狭窄处停止（黄色箭头），但共生细菌穿过并感染共生器官。 |
所谓“害虫”，大多体内都有共生细菌，如危害农作物的农业害虫、传播病原微生物的卫生害虫、以及以木屋为食的白蚁等室内害虫。共生细菌发挥着提供生长、生存和繁殖所需的营养以及协助消化等作用。这种共生细菌被认为是害虫防治的新目标，并且正在进行研究以阐明其共生机制。
世界上已知的椿象（半翅目：异翅亚目）有40,000多种，日本已知有1,500多种，其中许多是重要的农作物害虫。许多物种的生态学尚未完全了解，并且它们是水稻、大豆等多种农作物难以防治的害虫，因此需要开发防治方法。许多吸食植物汁液的臭虫肠道内都有共生细菌，共生细菌在提供营养、适应植物、维持杀虫剂抗性等方面发挥着重要作用。虽然关于共生细菌的功能和进化的知识正在积累，但人们对椿象肠道共生是如何建立的知之甚少。
AIST迄今为止发现，大豆的重要害虫臭虫具有独特的肠道共生系统。在大多数昆虫中，共生细菌直接从母亲传给后代，但在椿象中，它们生活在环境土壤中。伯克霍尔德杆菌的共生细菌时，每一代都会建立一种新的共生关系。伯克霍尔德氏菌易于培养并且可以进行基因操纵，因此它参与了共生关系的建立。遗传基础
迄今为止，AIST在臭虫的肠道共生系统中发现了一种使昆虫对杀虫剂产生抗药性的共生细菌。2012 年 4 月 24 日 AIST 新闻稿)，“聚酯在昆虫和细菌共生中的新功能”(2013 年 6 月 11 日 AIST 新闻稿)等研究成果已取得。
北海道大学与产业技术研究院设有合作研究生院，这一体系在人才培养方面取得了巨大成果，该校一名研究生在臭虫研究国际学术会议上获得了最佳海报奖（北海道大学于2014年9月25日宣布）。这项研究是在AIST首席研究员Yoshitomo Kikuchi的指导下，由北海道大学研究生Tsubasa Obayashi等人共同进行的。
该研究得到农林水产省农林水产技术委员会“农林水产和食品工业科学技术研究推广项目”和发酵研究所“特聘讲座教授资助”的支持。
这种臭虫的消化道后部发育了大量的袋状组织（图1），伯克霍尔德杆菌共存于这些组织中。许多这些囊状组织在其中发育的消化道部分在下文中被称为“共生器官”。此外，消化道中心附近的区域（共生器官前面的区域）极其狭窄，在本研究中我们将这个区域命名为“狭窄”（图1）。这种狭窄在旧文献中已有描述，但其功能尚不清楚。
 |
| 图1 椿象胃肠道整体图及狭窄及共生器官放大图 |
首先，为了观察食物通过臭虫胃肠道的流动情况，我们吸入各种食用色素，观察胃肠道内容物的流动路径。虽然染料到达了缢缩处，但它们根本没有流入随后的共生器官（图2），这表明食物流入椿象胃肠道受到了这个缢缩部的极大限制。
 |
| 图2 吸食各种染料的臭虫的消化道（黄色箭头表示狭窄部分） |
接下来，当让没有伯克霍尔德氏菌的臭虫幼虫同时吮吸使用食用染料和绿色荧光蛋白（GFP）发出绿光的伯克霍尔德氏菌时，他们发现染料在收缩处停止，并且只有伯克霍尔德氏菌感染了共生器官（图3A）。此外，当使用GFP发出绿光的伯克霍尔德杆菌和使用红色荧光蛋白（RFP）发出红光的大肠杆菌同时吸入时，大肠杆菌在颈缩处停止，但只有伯克霍尔德氏菌穿过颈缩并到达共生器官（图3B）。除了大肠杆菌之外，我们还吸入了恶臭假单胞菌和枯草芽孢杆菌，这两种常见的土壤细菌，但它们都没有感染共生器官。从这些结果可以得出结论，臭虫的胃肠道已经形成了一种极其复杂的细菌选择机制，专门只允许共生细菌通过，同时限制物质的流入。
食用色素马尔比管中检测到它换句话说，椿象的胃肠道在功能上高度分化，以狭窄区域为中心，分为“消化和吸收食物的前部”和“共生细菌生活的后部”。这种食物在消化道中途停止流入的情况在正常动物中尚未见报道，但这很可能与椿象以易于消化和吸收的植物汁液为食有关。
 |
| 图3狭窄区域共生菌的选择 |
(A) 同时吸入染料和 GFP 发射的伯克霍尔德氏菌时狭窄的放大图像。
(B) 同时吸入 GFP 发射的伯克霍尔德氏菌和 RFP 发射的大肠杆菌时狭窄的放大图像。 B 右侧的两幅图像是使用共焦显微镜拍摄的横截面图像。黄色箭头表示狭窄。 |
接下来，为了阐明伯克霍尔德杆菌穿过狭窄的机制，转座子创建了伯克霍尔德氏菌突变体插入，并研究了哪些突变体不能与臭虫共存。结果，鞭毛发现形成突变的运动菌株无法通过缢缩。这表明伯克霍尔德氏菌利用鞭毛游过狭窄区域。
许多臭虫是农作物害虫，它们的肠道内有共生细菌，就像臭虫一样。当我们观察具有代表性的分类群臭虫的胃肠道时，我们发现靠近胃肠道中心的区域有一个狭窄的区域，与臭虫类似。当我们通过吸入食用染料来检查流动路径时，我们发现在所有研究的物种中，染料都没有流入颈缩之外的共生器官（图4）。这些结果表明，与许多臭虫物种一样，消化道在功能上高度分化为“消化和吸收食物的前部”和“容纳共生细菌的后部”，并且共生细菌根据狭窄的区域进行分类。
 |
| 图4 椿象吸染剂的消化道（黄色箭头为狭窄部分） |
今后，我们将全面分析主要在椿象中的细菌选择器官——缢缩区表达的基因和蛋白质，阐明共生菌肠道选择的遗传基础。
通过收缩进行细菌选择是许多臭虫害虫中常见的机制，阐明其遗传基础有望导致抑制共生细菌感染和定殖的新型害虫防治技术的发展，我们将从这个角度进行研究。