米乐m6官方网站［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］ 武间深津，首席研究员（兼） 生物共生和进化机制研究组研究组组长 古贺龙一，首席研究员，福森佳代子，日本自然科学学会德国科学研究促进会研究员等与马克斯·普朗克研究所、美国埃默里大学、德国约翰内斯·古腾堡大学等合作，研究蓟叶因进食而受损绿叶甲虫与消化道相关共生器官中胞外共生菌是斯塔梅拉，Stamela是一种植物细胞壁的主要组成部分之一果胶的酶。当绿叶甲虫幼虫体内的共生菌被清除后，体内果胶降解酶的活性显着降低，抑制了幼虫的生长和存活。植物细胞纤维素、半纤维素、果胶等细胞壁多糖
传统上，白蚁等肠道共生微生物分解参与木材的消化，但现在我们首次揭示了共生细菌的果胶消化在活植物组织的利用中发挥着重要作用。由于马铃薯甲虫包括许多农业害虫，预计这项研究将导致针对植物消化机制的新害虫防治方法的开发。
该成果于2017年11月16日（当地时间）发表于美国学术期刊细胞
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| 绿叶甲虫吃蓟叶 |
微生物生产、分解和修饰物质的先进能力不仅在生态系统中发挥着重要作用，而且在人类社会中也得到了多种应用。特别是近年来，人们已经清楚肠道细菌与人类疾病和身心健康有着密切的关系，生物体内细菌（即共生菌）的多样化生物学功能正在引起人们的关注。
昆虫和细菌都表现出显着的多样性，因此，在它们之间观察到各种生物相互作用，包括共生关系。特别是，对于白蚁和其他使用难以消化的食物（例如木材）的物种来说，它们体内的微生物（例如细菌和原生动物）可能会帮助它们消化食物。这种共生关系在生态上非常重要，如果害虫依赖于这种共生微生物，那么共生关系的阐明可能会导致新的害虫防治技术的发展。
在AIST，我们专注于昆虫体内的共生细菌，并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。关于共生昆虫共生菌与植物的相互作用，我们讨论了共生菌对蚜虫对植物的适应以及褐臭虫向害虫的转化（2004 年 3 月 25 日、2007 年 6 月 13 日 AIST 新闻稿)，关于甲虫的共生细菌，从共生细菌到豆象鼻虫的水平基因转移的发现，以及共生细菌使象鼻虫的外骨骼硬化(2002 年 10 月 29 日、2017 年 9 月 19 日 AIST 新闻稿)。
马铃薯甲虫是一群专门以植物叶子为食的甲虫。世界已知约 40,000 种，日本已知且著名的约 800 种科罗拉多马铃薯甲虫熟悉葫芦甲虫然而，自20世纪30年代德国Hans-Jürgen Stammer基于显微镜观察的开创性报告以来，对马铃薯甲虫共生细菌的研究还很少。
此次，我们对真实性质不明的绿叶甲虫共生菌进行了微生物鉴定和全基因组测序，致力于从基因组信息中推断出共生菌的详细生物学功能。
这项研究得到了文部科学省科学研究补助金的部分支持。
当我们检查绿叶甲虫时，我们发现它的消化道前部有一个共生器官，并且在其管腔细胞外观察到共生细菌（图1A至C）。每个共生器官的管腔通过小管与消化道相连（图1B）。此外，成年雌性在消化道/生殖道末端附近有一个线圈状的管状器官（其分泌含有共生细菌的物质，用于传递给卵）。传动机构'') 以及在胃肠道末端积累共生细菌递质的区域（将共生细菌传递给卵的结构，``蛋帽'')，共生细菌位于其管腔中（图1A、D、E）。对卵块的观察发现，卵的前端附着有一个充满共生细菌的卵盖（图2A-D），当幼虫咬破卵的前端并孵化时，就会发生共生细菌的感染。
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图1绿叶甲虫共生器官和共生细菌的定位
（黄色箭头：与消化道连通的小管，绿色：共生细菌，蓝色：DNA）
(A) 成年女性消化道的整体视图。 (B) 胃肠道前部共生器官的放大图。 (C) 位于其管腔内的共生细菌。
(D) 胃肠道后部传输器官和卵盖形成的放大图像。 (E) 位于传播器官内腔的共生细菌。 |
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图2 绿叶甲虫卵中共生细菌的定位
（黄色箭头：蛋帽，绿色：共生细菌，蓝色：DNA）
(A) 鸡蛋的外观。 (B) 鸡蛋的共焦荧光显微镜图像。共生细菌位于蛋盖内。
(C) 蛋盖内共生细菌定位示意图。 (D) 蛋盖内共生细菌团的放大图像。 |
这种共生细菌是Stamela (斯塔默拉·卡普莱塔)，并确定了整个基因组序列（图 3）。因此，基因组大小约为 270,000 个碱基对，是已知的细胞外共生细菌中最小的，对于细菌的生存至关重要。重复、转录、翻译的最小基因外，大多数代谢基因都丢失了。但例外的是果胶降解酶基因组仍然存在，表明Stamela可能在果胶降解中具有特殊的功能。
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| 图3 绿叶甲虫共生细菌Stamela的基因组结构 |
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图4 灭菌和去除共生细菌对绿叶甲虫存活和果胶分解酶活性的影响 (A) 未经处理的卵块（蓝色）、用乙醇处理且卵盖完整的卵块（灰色）以及用乙醇处理且卵盖上有孔的卵块（红色）孵化的幼虫的存活曲线。 (B) 幼虫胃肠液果胶降解活性的差异取决于共生细菌的存在或不存在。 |
分别从未经处理的卵块、用乙醇处理且卵盖完整的卵块以及用细针刺破卵盖并用乙醇处理杀死共生菌的卵块中孵化出幼虫，并检查它们的存活率。无论处理方式如何，孵化率都保持不变，并且人们认为乙醇处理本身对卵块没有负面影响。只有通过对卵盖进行刺穿和灭菌来阻止获得共生细菌的幼虫才表现出显着的生长迟缓和存活率下降（图4A）。此外，在共生细菌被灭菌的幼虫中，消化道中的果胶降解酶活性显着降低（图4B）。
这些结果表明，绿叶甲虫的胞外共生细菌 Stamela 拥有一个微小的基因组，专门用于单一生物功能——果胶降解，并在其植食性昆虫宿主的生长和生存中发挥着重要作用。植物细胞被坚固的细胞壁包围，细胞壁由纤维素、半纤维素和果胶等细胞壁多糖复合物组成，因此，如果绿叶甲虫咀嚼并吞下它所吃的植物的叶子，它可能不会充分破坏细胞。人们认为，这些细胞壁多糖中溶解度最高的果胶在共生细菌的酶的帮助下被降解，有效地破坏植物细胞并利用内部营养丰富的细胞质作为营养来源。
通过组织学观察和描述，除了绿叶甲虫之外，多种马铃薯甲虫在其消化道上附着的共生器官中都具有共生细菌。我们将继续研究这些未经探索的马铃薯甲虫共生细菌的微生物实体、多样性和生物学功能。