国立先进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：田村智宏］ 竹间深津，生物共生进化机制研究组首席研究员（兼），细川贵宏 前 AIST 特别研究员（现九州大学） 与日本开放大学、琉球大学、冲绳科学技术大学院大学、共生细菌生存所必需的农业害虫德国臭虫中，我们发现，虽然北海道、本州、四国、九州等地（以下简称“日本本土”）的种群中存在单一种类的共生细菌，但在南西群岛的同一种群中，多种共生细菌共存。
对南西群岛椿象种群的详细分析表明：（1）椿象不能在体外进行培养；垂直感染可自行传播下一代的共生菌，（2）可在臭虫体外培养，可在环境中生存，可垂直传播环境获取也发生过，不同进化阶段的各种共生细菌共存，包括（3）可以感染其他种类椿象的共生细菌，以及（3）通常不与椿象共生但在实验感染时表现出潜在共生能力的环境细菌。也就是说，在南西群岛，德国绿蝽之间的肠道共生关系并没有像在日本本土那样建立起来，仍然处于动态的进化过程中。
到目前为止，建立新的高级共生关系的具体过程和机制还没有得到很好的理解，但通过捕捉自然界中正在进行的共生进化过程，预计我们对共生的起源和进化的理解将大大推进，以及我们对害虫的环境适应机制及其控制发展的理解。
该成果于2016年1月11日23:00（日本时间）发表在国际科学期刊上自然微生物学（自然微生物学）。
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德国绿蝽的中肠（左）共生器官（右）
切除消化道内的蓝绿色表示局部肠道共生细菌 |
包括人类在内的多种动物的消化道是由多种细菌、真菌、原生动物等组成微生物组存在并发挥多种生物学功能。近年来，人类肠道与健康、疾病、肥胖等相关。细菌菌群
全世界已知的椿象有超过 40,000 种，仅在日本就已知有 1,500 多种，它们通常是农作物的害虫。因此，它们是一个重要的昆虫类群，有待从农业和经济角度详细阐明其生物学功能，但消化道的后端是专门的共生器官，含有生长和繁殖所必需的特定（通常是单一物种）细菌。这些细菌提供维生素和必需氨基酸等营养物质，但通常无法在臭虫体外生长。
这些执行高级生物功能的特殊共生细菌被认为原本是环境中存在的普通细菌，但人们并不清楚是什么过程和机制导致了环境细菌中出现了高级共生细菌。
AIST一直致力于阐明昆虫体内共生细菌的重要生物学功能，并了解昆虫与共生细菌之间的高级生物相互作用。关于作为农业害虫尤为重要的臭虫肠道共生菌，请参考《共生菌引起的害虫的发现》（2007 年 6 月 13 日 AIST 新闻稿)，“发现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)，“阐明臭虫将共生细菌带入体内的独特机制”(2015 年 9 月 1 日 AIST 新闻稿）之类的结果。此次，我们发现了日本列岛针对农业害虫德国绿蝽的肠道共生细菌的多样性，并致力于阐明其形成过程和机制。
这项研究得到了独立行政机构日本学术振兴会科学研究补助金 (S) 的支持。
德国绿蝽（图1A）在其消化道后部有一个专门的共生器官（图1B），其中含有与大肠杆菌密切相关的共生细菌（此处称为共生细菌A）（图1C）。这种共生细菌对于幼虫的生长至关重要，已知母虫在产卵时会将含有共生细菌的分泌物散布在卵表面，孵化的幼虫将其摄入，导致共生细菌的垂直感染（图1D）。
之前的研究对象是来自本州的德国绿蝽，但这一次，当我们对从日本列岛各地收集的42个群体的448个个体的肠道共生细菌进行调查时，发现了六种不同类型的肠道共生细菌（这里称为共生细菌A、B、C、D、E和F）（图1E）。其中，在日本本土人群中仅检测到共生菌A，但在南西群岛人群中，共生菌B频繁检测到，而共生菌C、D、E和F共存的频率较低（图2）。此外，在南西诸岛中，宫古岛的共生菌C的检出率异常高。
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| 图1 德国绿蝽与肠道共生菌 |
| (A) 成虫，(B) 提取的胃肠道后部（箭头表示共生器官），(C) 共生细菌的光学显微镜图像，(D) 从蛋壳表面获取共生细菌的孵化幼虫，(E) 日本种群中六种共生细菌的系统发育关系（基于核糖体 RNA 基因的核苷酸序列） |
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| 图2 日本德国绿蝽种群肠道共生菌的感染分布 |
当对卵表面进行消毒以防止共生菌垂直感染孵化的幼虫时，除去共生菌的昆虫大部分在幼虫阶段死亡，而那些刚刚成年的昆虫体型矮小，体色异常（图3）。共生细菌 A、B、C、D、E 和 F 也获得了类似的结果，表明所有六种类型的共生细菌对于正常幼虫生长都是必需的。
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图3 去除肠道共生菌对宿主臭虫的影响
(A) 成虫羽化率，(B) 已羽化的成虫 |
另外，当我们尝试将共生器官磨碎来培养时，共生菌A和B根本没有生长，但共生菌C、D、E和F却很容易培养。基因组序列摘要，共生菌A、B的基因组比共生菌C、D、E、F小，可能是共生进化过程所致基因组缩减的进展使其难以在宿主体外增殖。
此外，当我们对最初感染共生菌 B 的德国绿蝽的卵表面进行消毒，然后用培养的共生菌 C、D、E 和 F 喂养孵化的幼虫以取代共生菌时（图 4A），它们的生长情况与感染原始共生菌的幼虫相当（图 4B）。使用最初感染共生菌A的德国绿蝽获得了类似的结果，表明这六种共生菌具有相似的宿主生长必需的生理功能。
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| 图4 肠道共生细菌替代对宿主椿象的影响 |
| (A) 培养共生菌的实验感染系统，(B) 与原始共生菌B（最左）感染的臭虫类似，实验性替换为共生菌C、D、E、F（右侧）的臭虫也能正常生长 |
共生菌C、D、E和F可以培养，这意味着它们可以在自然环境中生存。德国绿臭虫的孵化幼虫从表面消毒的卵中孵化出来，暴露在从石垣岛栖息地收集的土壤中 6 天（图 5A），然后用干净的食物和容器饲养。 1,005 只孵出的幼虫大部分死亡，但 85 只已成年。其中，14 只是侏儒，体色异常，被认为没有共生细菌（图 5C），但其余 71 只是正常成虫（图 5B，D-L）。其中一半以上感染了共生菌C、D或E，其余感染了新细菌（暂称为环境细菌X1-X6）（图5B-L）。这些结果表明，环境中存在德国绿蝽可以培养的共生细菌C、D和E，并且多种环境细菌潜在具有与德国绿蝽共生的能力。
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图5从土壤环境中获取共生菌的实验证明
(A) 实验土壤细菌感染系统，(B) 感染绿色成虫的细菌的分解，(C-L) 成虫和感染它们的细菌的外观 |
当我们调查分布在南西群岛的各种椿象时，我们发现不少物种的肠道内含有细菌，这些细菌在基因序列水平上与德国绿椿象的共生细菌C、D和E无法区分（图6A-C）。因此，当我们对最初感染了共生菌B的德国绿蝽的卵表面进行消毒，并用从其他物种的这些蝽的共生器官中分离培养的共生菌C、D和E来喂养孵化的幼虫以替代共生菌时，它们表现出与感染原始共生菌B的幼虫相当的生长（图6D）。换句话说，环境中存在的共生细菌C、D和E可能不仅与德国椿象有共生关系，而且与各种椿象物种也有共生关系，并且不仅从母体垂直传播给幼虫，而且有时也从环境或其他椿象物种获得。水平感染椿象群落与环境细菌群落之间可能存在动态关系。
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| 图 6 用其他臭虫物种替代肠道共生细菌的效果 |
| (A-C) 含有共生细菌的其他种类的臭虫在基因上与德国绿臭虫肠道共生细菌 C、D 和 E 没有区别。(D) 与感染原始共生细菌 B（最左）的臭虫类似，被其他物种的共生细菌 C、D 和 E 取代的臭虫也能正常生长。 |
就这样，德国绿蝽的肠道共生菌群正在日本列岛经历着动态的进化过程。在日本本土，无法在宿主体外生存的共生菌A完全固定在椿象种群中，而在南西群岛，无法在宿主体外生存的共生菌B并未完全固定在椿象种群中，而能够在宿主体外生存、具有与环境细菌相似的特性、可以与其他种类的椿象共生的共生菌C、D、E、F也共存。此外，还发现土壤环境中存在多种可能具有与臭虫共生能力的环境细菌。通过这些研究，我们成功地捕捉到了自然界正在进行的共生进化过程，并在理解共生关系的起源和进化过程方面取得了重大进展。即使在日本列岛中，南西群岛也拥有特别丰富的生物多样性，这项研究揭示了这种生物多样性以前未知的新方面。
未来，我们将监测南西群岛的德国绿椿象野外种群中共生细菌的多样性，并推动实验进化研究，以检验在实验室的各种环境条件下连续饲养时对共生关系的影响。特别是，我们将阐明为什么多种共生细菌在南西群岛共存，而在日本本土只有一种共生细菌。
此外，我们还将分析共生菌之间的竞争和共存等相互作用，加深对共生机制的共性和多样性的理解，并考虑利用共生菌作为农业害虫椿象的新控制目标的可能性。特别是，在温带气候的日本本土固定感染的共生菌A和在亚热带气候的南西群岛占优势的共生菌B可能参与了对不同温度条件和寄主植物的适应，我们计划从这个角度开展研究。