德国约翰内斯·古腾堡大学、马克斯·普朗克化学生态研究所、汉堡大学为国立产业技术综合研究所[会长：石村和彦]（以下简称“AIST”）、生物过程研究部[研究主任：铃木薰]、竹间深津、生物共生进化机制研究组首席研究员、Kayoko福森，原日本学术振兴会研究员（现（国立环境研究所博士后研究员））昆虫生活在湿地中，幼虫在水中吸取植物根部的汁液，成虫以陆地上的树叶为食，具有独特的生态。Nekui 甲虫消化道的种类和马尔皮基管共生细菌宏玩可乐的基因组解码进行功能分析结果，共生细菌基因组失去了许多基因并且变得明显更小，失去了合成植物汁液中缺乏的蛋白质所需的功能。必需氨基酸马铃薯甲虫本身没有，但植物有细胞壁消化所必需的果胶分解酶
8999_9105稻甲虫等害虫，因此预计它可能会导致针对共生细菌的新害虫防治方法的开发。
该成果于2020年6月11日（英国夏令时间）发表在国际学术期刊上自然通讯
甲虫成虫（左）和幼虫（右）
了解和利用微生物的先进生物功能对人类社会有多种用途，包括生物技术。近年来，人们发现体内微生物在农业卫生病虫害的传播中发挥着重要作用，肠道微生物对人类健康和疾病具有重大影响，共生微生物的重要性从基础、应用和医学角度更加引起人们的关注。
昆虫是代表地球生物多样性的一个类群，包括许多害虫物种和有用物种，与人类社会有着重要的关系。昆虫多样性的基础之一是经历卵、幼虫、蛹和成虫阶段的生命周期。变态''。例如，蝴蝶和蛾的幼虫以植物叶子为食，成虫则吸食花蜜和汁液，因此即使它们是同一物种，但根据其发育阶段，它们可以使用不同的食物和环境。尽管已知共生微生物在各种昆虫物种中发挥着重要作用，但共生微生物与昆虫变态之间的关系尚不清楚。
AIST 长期关注昆虫体内共存的微生物，并发现了各种新的生物功能以及宿主与微生物之间的高级相互作用。作为共生细菌为昆虫提供重要营养物质的一个例子，阐明了为卫生害虫提供必需营养物质的细胞内共生细菌的功能（2009 年 12 月 22 日、2014 年 7 月 1 日 AIST 新闻稿）以及专门从事酪氨酸合成并参与甲虫外骨骼硬化的共生细菌的发现（2017 年 9 月 19 日 AIST 新闻稿)等是在昆虫利用植物中发挥重要作用的共生细菌的例子。2004 年 3 月 26 日、2007 年 6 月 13 日 AIST 新闻稿) 和共生细菌提供的酶对叶子的消化 (2017 年 11 月 17 日 AIST 新闻稿) 等
网络甲虫甲虫是一群专门以植物叶子为食的甲虫，世界上已知的种类约有40,000种，日本约有800种。大多数马铃薯甲虫，无论是幼虫还是成虫，都以同一植物种类的叶子为食，但叶甲虫具有独特的生态：幼虫在水中吸取植物根部的汁液，成虫以陆地上的叶子为食。叶甲虫的共生细菌共生器官的开创性报告1930年代通过显微镜观察，2000年代基于基因碱基序列分子系统发育分析大食可乐 (Macropleicolaspp)被赋予了一个临时学名，但其生物学功能却完全未知。
这次，我们测定了日本和欧洲甲虫4属26种共生细菌的基因组序列，并致力于阐明从基因组信息推断的共生细菌的生物学功能。
本研究得到了文部科学省科学研究补助金 (JP17H06388) 的部分支持。
甲虫是湿地中发现的体长为 5-12 毫米的小型甲虫，其幼虫生活在水中（图 1）。幼虫尾部有一对大爪，插入水生植物的根部以固定其身体，并用口吸取植物根部的汁液（图2A、B）。消化道前部周围有共生器官（图2C、D）。当昆虫成年后，两个通常是排泄器官的马尔皮基管会发育并发挥共生器官的作用（图3A）。使用共生细菌特异性探针荧光原位杂交法证实共生细菌位于幼虫消化道前部的共生器官和成年雌性扩大的马氏小管中（图2E，F；图3B，C）。
图1 日本褐甲虫的生态（AIST 校区）
(A) 一个池塘，栖息着茂盛的香蒲和芦苇。 (B) 卵（圈养的）包裹在果冻状分泌物中。 (C) 附着在水生植物根部的幼虫。 (D) 成熟幼虫分泌蛋白质茧并准备化蛹。 (E) 硬化茧。里面有一只蛹。 (F) 香蒲叶上的成虫。
图2 黄甲虫幼虫共生菌的内部结构和定位
(A) 外观背面。 (B) 腹侧外观。 (C) 内脏器官背侧。从爪基部开始厚气管遍布全身。 (D) 内脏器官腹侧。共生器官在消化道的前部可见。 (E) 分离胃肠道中共生细菌的特异性检测。可以看到共生器官的定位。 (F) 切除的共生器官中共生细菌和 DNA 的可视化。共生细菌显示为红色，核 DNA 显示为蓝色。
图3 共生菌的内部结构和定位
(A) 提取的内脏。其中两个马尔皮基管已着色并显影。 (B) 分离内脏器官中共生细菌的特异性检测。位于扩大的马尔皮基小管中。 (C) 马尔皮基小管内共生细菌的可视化。共生细菌显示为红色，核 DNA 显示为蓝色。不仅细胞，管腔也充满了共生细菌。
图4 叶甲虫共生菌基因组、必需氨基酸合成系统、果胶降解酶
(A) 叶甲虫共生细菌的基因组结构。 (B) 叶甲虫共生细菌的必需氨基酸合成系统。 (C)通过薄层色谱法检测源自叶甲虫共生细菌的果胶分解酶活性。
我们测定了共生细菌的基因组序列，发现其大小为45万至52万个碱基对，约为自由生活细菌大肠杆菌基因组460万个碱基对的1/9至1/10，对于细菌的生存至关重要复制、转录、翻译的系统和基因外，还有许多代谢系统和基因丢失了（图4A）。一个极其保守的基因是一组参与必需氨基酸合成的基因，昆虫不能自行产生这些氨基酸，而是蛋白质合成所必需的。这次确定的大多数共生细菌基因组保留了合成必需氨基酸的基因和合成酪氨酸（一种半必需氨基酸）的基因（图4B）。另外核黄素的合成基因（维生素 B2）也被保留。这些特征与蚜虫、蝉和叶蝉等共生细菌的基因组非常相似，这些共生细菌仅靠吸食含糖但缺乏蛋白质的植物汁液而生存，人们认为仅靠吸食植物汁液而生存的叶蝉幼虫是通过利用共生细菌提供的必需氨基酸合成蛋白质来生长的。
此外，在许多叶甲虫的共生细菌基因组中发现了两种果胶降解酶基因。这些共生细菌的果胶降解酶确实表现出酶活性（图4C），而宿主昆虫本身产生纤维素降解酶但不具有果胶降解酶，这表明成年叶甲通过宿主分解细胞壁中的纤维素和共生细菌分解果胶来消化叶子。此外，在以香蒲、芦苇和莎草等果胶含量低的草类为食的叶甲虫的共生细菌基因组中通常找不到果胶降解酶基因，人们认为这些基因在进化过程中已经丢失。
图5 甲虫幼虫和成虫中共生细菌的不同功能
这些结果表明，叶甲虫共生细菌的基因组已显着减少，并且它们专门从事两种功能：合成必需氨基酸等营养物质和产生果胶降解酶。人们认为，共生细菌可以提供蛋白质合成所需的必需氨基酸（仅吸食植物汁液的幼虫所缺乏的氨基酸），以及以植物叶子为食的成虫消化细胞壁所需的果胶降解酶（图 5）。昆虫从幼虫到成虫的变态过程中，不仅形态发生了重大变化，生理生态也发生了重大变化。这次，研究表明单一类型的共生细菌在同一宿主昆虫的幼虫和成虫中发挥着完全不同的生理功能。虽然在共生进化过程中许多基因丢失并且基因组减少，但推测在幼虫和成虫的每个阶段都保留了必需的功能基因。这是阐明共生细菌如何参与与昆虫变态相关的生活方式变化的结果，并且对于理解共生进化的过程很有意义。
这一次，我们在叶甲虫幼虫体内发现了一个巨大的神秘器官（图2C、D）。它可能是产生茧蛋白质成分的器官（图 1D、E），并在化蛹期间分泌。预计特殊的新基因和蛋白质会大量表达，我们希望致力于鉴定其成分并阐明其功能。