国立先进产业技术研究所 [院长：Ryoji Chubachi] (AIST) 生物过程研究部 [研究主任：Tomohiro Tamura] Takema Fukatsu，首席研究员；森山稔，生物共生进化机制研究组首席研究员；琉球大学【校长：大城一】； Yu Matsuura，热带生物圈研究中心。助理教授（前AIST技术实习生）正在与美国蒙大拿大学合作生产日本制造的产品。蝉调查了 24 个物种，其中 15 个冬虫夏草蝉蘑菇细胞内共生真菌共存
传统上，蝉有两种类型细胞内共生细菌萨西亚和霍奇金花众所周知，霍奇金菌是共生存在的，但这一次，霍奇金菌在日本蝉中消失了，取而代之的是源自冬虫夏草的内共生真菌共生体替换至少发生了三次，并且从共生真菌到不同谱系的共生真菌的共生替换也发生了多次。蝉的共生菌大多难以培养，但我们成功地分离并培养了佃作坊的共生菌。基因组序列摘要确定这种共生真菌是由原始共生菌Hodgkinia提供的必需氨基酸是啊维生素的能力
这一次，已经证明从寄生关系到共生关系的进化反复发生，揭示了寄生微生物和共生微生物之间意想不到的深层关系。冬虫夏草和相关真菌经常被用作草药。免疫抑制剂等生理活性物质的产生菌，主要生活在亚热带地区的各种蝉种的共生真菌也可作为新的生物遗传资源。
该成果于2018年6月11日（美国东部夏令时间）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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| 阿布拉蝉（左）、蝉蘑菇（右）、蝉蘑菇（下） |
生物技术可用于人类社会的各个方面，包括利用微生物进行材料生产和发酵。近年来，人们发现体内微生物对农业和卫生害虫的生存和病害发挥着重要作用，肠道细菌对人类健康和疾病有着不可忽视的影响，生物体内存在的微生物的多样化生物学功能受到人们的关注。另一方面，由于人类活动和气候变化的影响，热带和亚热带地区特有的生物多样性目前面临着各种危机。毫无疑问，具有未知高级功能的微生物共存于这些生物类群中，迫切需要阐明亚热带地区多种动植物与微生物之间的相互作用，并寻找包括共生微生物在内的生物资源。
蓝蝉、敏敏蝉、黑蝉、蝉、蝉等蝉因其特有的叫声响亮而成为夏季传统，但它们体内也有多种共生细菌的内共生系统。近年来，美国主要针对蝉的研究表明，蝉体内有一种称为细菌细胞簇的共生器官，并且这些细胞内存在两种细胞内共生细菌：沙氏菌和霍奇金氏菌。在持续数年的漫长幼虫阶段，蝉在两种共生细菌的帮助下以植物汁液 (血管液)。这次，我们调查了24种蝉的内共生系统，涵盖了日本蝉的大部分种类，发现了一种以前未知的共生真菌，并进行了详细的研究以阐明其微生物物质。
这项研究得到了文部科学省科学研究补助金和发酵研究所一般研究补助金的部分支持。
蝉成虫靠从树上吸取植物的维管液和蝉幼虫从根部吸取维管液而生存，但维管液的营养极差，只含有少量的氨基酸和糖类。另一方面，蝉内共生细菌Sarsia和Hodgkinia的基因组在共生进化过程中显着减少，使得它们无法在蝉体外生存。 Sarsia专门合成多种必需氨基酸，Hodgkinia专门合成多种必需氨基酸和维生素，人们认为，在这些共生细菌的帮助下，蝉可以靠血管液这种营养不良的食物生存。
此次，我们对从冲绳等南西群岛等日本各地采集的 24 种蝉进行了检测，结果发现，如之前报道的那样，新二蝉、虾夷蝉、虾夷蝉、黑岩蝉、蝉蝉等 9 种蝉拥有两种细胞内共生菌：沙氏菌和霍奇金氏菌（图 1）。 However, in the other 15 species, including the cicadas, the cicadas, the cicadas, the cicadas, the cicadas, the cicadas, the cicadas, the cicadas, the cicadas had Sarsia but no Hodgkinia was detected, and instead they had yeast-like intracellular symbiotic fungi (Figure 2)
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图1 Niinii蝉的内共生系统 (A) 成人。 (B) 解剖的细菌细胞团。 (C) 荧光原位杂交方法对细菌细胞簇中 Sarsia（洋红色）和 Hodgkinia（绿色）定位的可视化。 (D) Sarsia 和 Hodgkinia 的透射电子显微镜图像。 |
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图2 芥蝉内共生系统 (A) 成人。 (B) 解剖的细菌细胞团。 (C) 荧光原位通过杂交方法可视化细菌细胞簇中 Sarsia（洋红色）和内共生真菌（黄色）的定位。框架内是共生真菌细胞的光学显微镜图像。 (D) Sarsia 和共生真菌的透射电子显微镜图像。方框中显示了共生真菌细胞的放大图像。 |
接下来，我们创建了蝉的系统发育树，并分析了沙氏菌/霍奇金氏菌/共生真菌的存在与否，发现在日本蝉的进化过程中，从霍奇金氏菌到共生真菌的共生替代独立发生了至少3次（图3）。
通过从发现共生真菌的蝉中提取DNA，扩增真菌基因，确定碱基序列，并进行分子系统发育分析，发现蝉的共生真菌与虾夷春毛、屋久岛毛、毛毛等半寄生冬虫夏草有着极其密切的亲缘关系。寄主蝉与共生真菌的系统发育树比较表明，两者的系统发育关系几乎不一致，半寄生的冬虫夏草位于多种蝉的共生真菌之中，表现出复杂的模式，强烈提示在蝉的进化过程中，从虫草到共生真菌的进化反复发生，共生真菌不断被其他共生真菌取代（图4)
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图3 蝉的系统发育关系与共生微生物的进化过程 基于线粒体基因 14733 个碱基位点的分子系统发育树。显示了对 20 种日本蝉（已确定线粒体全基因序列）的分析结果和 4 种外国蝉的数据。这些数字是代表分组确定性的 bootstrap 值（100 是最高值）。 |
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图4 日本蝉与共生真菌/冬虫夏草的系统发育关系比较 左边是宿主蝉的系统发育关系。右边是蝉的共生真菌与密切相关的冬虫夏草的系统发育关系。半系统发育树上显示了共生真菌的获得、霍奇金菌的丧失和共生真菌的替换的估计过程。宿主蝉和共生真菌之间的对应关系用黑色虚线表示。没有共生真菌的蝉以灰色显示，冬虫夏草以彩色显示。冬虫夏草与寄主蝉之间的对应关系用彩色虚线表示。这些数字是代表分组确定性的 bootstrap 值（100 是最高值）。 |
这些蝉的共生真菌隔离文化时，大多数都很难培养，但我们能够在琼脂培养基上分离和培养Tsukutsukuboushi的共生真菌，尽管生长非常缓慢（图5）。当我们确定这种共生真菌培养菌株的一般基因组序列时，我们发现它保留了必需氨基酸合成系统和维生素合成系统，这被认为是霍奇金菌的功能。
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图5 Tsuktsukuboushi共生真菌的分离和培养 (A) 培养约 1 个月后琼脂培养基上的小菌落。增长缓慢。 (B) 菌落的放大图像。 (C) 长期培养（超过3个月）的菌落。它成簇生长，菌丝不伸长。 |
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| 图6 半共生真菌与冬虫夏草的进化与生态关系 |
这些结果表明，取代细胞内共生细菌 Hodgkinia 功能的内共生真菌（对蝉的生存至关重要）和半寄生冬虫夏草（称为蝉）在生态和进化上密切相关（图 6）。蝉幼虫在土壤中生长多年，吸取树根的汁液。人们认为，由于蝉幼虫长时间生活在充满微生物的潮湿土壤中，因此很容易被冬虫夏草寄生。事实上，在日本记录的大约240种冬虫夏草中，有20多种是半寄生的。
关于共生真菌的进化，本文描述了减毒的半寄生冬虫夏草如何建立慢性感染，并垂直传播给卵，而不是杀死宿主并形成孢子和分散。他提出了这样的假设：内共生细菌在功能上与内共生细菌互补，而内共生真菌最终取代了它们，并且这种情况在蝉的进化过程中反复发生。
未来，我们将继续研究共生微生物，重点关注已知蝉多样性最高的南西群岛。我们还将对蝉以外的难以培养的蝉中发现的细胞内共生真菌进行基因组分析，以明确更高级的共生真菌的基因组特征。我们还将与接近共生真菌的蝉种进行比较基因组分析，以识别寄生细菌和共生细菌之间基因组的差异。
论文名称：蝉体内真菌寄生虫的周期性共生体招募
作者：松浦佑1,2，森山稔2、武卡西克·彼得3、范德普尔·丹3，田桥熏彦4、孟宪英2、约翰·麦卡琴3，武间深津2
隶属关系: 1 琉球大学热带生物圈研究中心，2 国立产业技术研究院生物过程研究部，3 蒙大拿大学，4 台湾国立交通大学
杂志名称：美国国家科学院院刊
DOI：101073/pnas1803245115
论文网址：wwwpnasorg/cgi/doi/101073/pnas1803245115