米乐m6官方网站【理事长中钵良二】（以下简称“AIST”）生物过程研究部【研究主任田村智博】武间深津首席研究员（兼）综合技术研究所/早稻田大学生物系统大数据分析开放创新实验室【实验室主任竹山春子】（兼）生物过程研究部隆志生物共生进化机制研究小组首席研究员 Yasubutsu、生物共生进化机制研究小组首席研究员 Minoru Moriyama 与日本开放大学、九州大学、鹿儿岛大学、京都大学、东京大学、冲绳科学技术研究所大学院和国立基础生物学研究所合作。象甲虫4 种细胞内共生细菌纳尔多菌，一种氨基酸酪氨酸。此外，外骨骼以非常努力而闻名黑象甲虫中，Nardonella利用酪氨酸合成来合成宿主昆虫的外骨骼角质层的着色和硬化，并且酪氨酸合成的最后一步是由宿主基因控制的。
这项研究在世界上首次揭示了共生细菌参与甲虫硬度的机制。由于许多甲虫是重要的农业害虫、森林害虫和粮食储藏害虫，因此预计这一结果将导致针对角质层形成的新害虫防治方法的开发。
该成果于2017年9月18日（美国东部时间）后发表在美国学术期刊上美国国家科学院院刊（美国国家科学院院刊）。
 |
| 黑象甲以其坚硬的身体而闻名 |
微生物的发酵和物质生产已应用于人类社会的各个方面。近年来，人们发现肠道细菌与人类疾病和身心健康密切相关，存在于生物体内的细菌（即共生菌）的多种生物学功能引起人们的关注。
在自然界中，昆虫和细菌之间的共生关系是普遍存在的，生物体之间存在着丰富多样的相互作用，体现了它们相互的多样性。其中，有许多已知的现象是共生细菌产生并提供对宿主生存重要的物质，这可能为开发新的防治技术提供种子，特别是当宿主是害虫时。
在AIST，我们专注于昆虫体内共生的细菌，迄今为止已经揭示了各种新的生物学功能以及宿主与共生细菌之间的相互作用。共生细菌向宿主提供必需营养的一个例子是阐明细胞内共生细菌沃尔巴克氏体的功能，它为臭虫提供必需营养（2009 年 12 月 22 日、2014 年 7 月 1 日 AIST 新闻稿)之类的结果。
此次，我们确定了细胞内共生菌纳多菌的全基因组序列，并致力于阐明从基因组信息推断出的纳多菌的详细功能，尽管其生物学功能目前尚不清楚，但据估计它与象鼻虫有着超过一亿年的密切共生关系。
这项研究得到了文部科学省科学研究补助金的部分支持。
昆虫占迄今为止所描述的生物物种的大多数，并且是陆地生态系统的主要类群。其中，甲虫是数量最多、繁盛的物种，其原因之一是甲虫特有的坚硬外骨骼角质层的发育。强大的外骨骼可以增加机械强度，有助于防止干燥和捕食者，并在甲虫的环境适应中发挥重要作用。
象鼻虫在甲虫中种类特别多，而且很多都有坚硬的外骨骼。多种象鼻虫体内携带一种称为纳尔多氏菌的共生细菌。例如，来自黑象鼻虫（图1A）的Nardonella（图1B）以其特别坚固的外骨骼而闻名，它位于真菌细胞（图1E）的细胞质内，真菌细胞构成了伴随幼虫消化道（图1C）的共生器官（图1D）。宿主象鼻虫分子系统发育树的分子系统发育树与共生细菌Nardonella高度一致，据估计，两者之间的共生关系可以追溯到1亿多年前的象鼻虫的共同祖先。然而，这种共生细菌的功能尚不清楚。
这次，我们确定了与四种象鼻虫（黑象鼻虫、棕榈害虫棕榈象甲、松树害虫棉铃象甲和甘薯害虫马铃薯象甲）共生的纳多菌的整个基因组序列（图2）。因此，基因组大小极小，约为 200,000 个碱基对，这对于细菌的生存至关重要。重复、转录、翻译的最小基因外，几乎所有代谢基因都丢失了。然而，只有参与合成酪氨酸（一种氨基酸）的基因被保留下来，并且已经发现纳多菌在酪氨酸合成中具有特殊的功能。
 |
|
图1 黑象鼻虫与胞内共生菌Nardonella (A) 成人。 (B) 纳多氏菌的透射电子显微镜图像。 (C) 幼虫。 (D) 幼虫消化道周围的共生器官。 (E) 纳多氏菌位于细菌细胞的细胞质中。在 (D) 和 (E) 中，纳多氏菌被荧光染色为红色，DNA 被荧光染色为蓝色。 |
 |
|
图2 来自四种象鼻虫的内共生细菌Nardonella 的基因组结构 (A) 棕榈象甲、(B) 棉铃象甲、(C) 毛毛虫象甲和 (D) 黑象甲纳尔多菌的基因组结构。在这两种情况下，基因组大小都极大地减少到约 200,000 个碱基对（仅是大肠杆菌约 400 万个碱基对的约 1/20）。 |
许多象鼻虫都有坚硬、发达的外骨骼，众所周知，酪氨酸是外骨骼硬化和着色所必需的。当已知具有非常坚硬的外骨骼的黑象鼻虫幼虫经过高温和抗生素处理以抑制纳多氏菌感染的密度时（图3A），体液中酪氨酸的浓度下降（图3B），并且出现的成虫象鼻虫的外骨骼变得微红且柔软（图3C）。这些结果表明纳多菌介导的酪氨酸合成在宿主象鼻虫外骨骼的着色和硬化中起着重要作用。
 |
|
图3抗生素治疗对黑蜗牛象鼻虫的抑制效果 喂食抗生素的幼虫中，体内纳多菌感染的密度（A）和体液中酪氨酸的浓度（B）显着降低。当这种幼虫出现时，上翅角质层微红且柔软的成虫（C）经常出现。 * 表示有统计学上的显着差异。 |
有趣的是，在纳多菌基因组编码的酪氨酸合成基因中，只有最后阶段的基因被删除（图4A）。因此，我们研究了黑象甲幼虫共生器官中表达的宿主基因。RNA测序方法根据研究，它起着酪氨酸合成的最后一步氨基转移酶该基因得到表达，并且在共生器官中的表达水平显着高于其他组织（图4B）。RNA干扰法在幼虫阶段使用抑制宿主体内转氨酶基因的表达，体液中酪氨酸浓度下降，成虫出现微红且柔软（图4C）。这些结果表明纳多氏菌合成酪氨酸的最后一步受到宿主象鼻虫的酶基因的调节。
 |
|
图4 Nardonella合成酪氨酸最后一步中的宿主控制 (A) 纳多菌基因组中编码的酪氨酸合成基因。 (B) 组织中宿主转氨酶基因的表达水平。 (C) 成虫从转氨酶基因表达受到抑制的幼虫中出现。 |
从这些结果来看，（1）纳多氏菌（Nardonella）是象鼻虫的一种内共生细菌，它具有专门用于单一生物功能（酪氨酸合成）的微小基因组，并且对于宿主外骨骼角质层的形成至关重要。 （2）催化酪氨酸合成系统最后一步的酶基因并不在纳多菌基因组中，而是我们发现转氨酶在共生器官中高表达，（3）这些宿主转氨酶控制共生器官中的酪氨酸合成，（4）由于纳多菌和宿主的基因组和代谢水平高度整合，象鼻虫的共生器官充当供给外骨骼形成所必需的酪氨酸。
未来，我们将研究类似共生关系存在于其他具有发达外骨骼角质层并依赖共生细菌生长、生存和繁殖的昆虫物种中的可能性。此外，这项研究的结果可能会导致针对角质层形成的新害虫防治技术的开发，我们计划从这个角度继续进行研究。