国立先进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] 微生物生态工学研究组菊池义智，研究组成员（兼）国立大学法人北海道大学农学研究科客座副教授，伊藤英臣，国立大学首席研究员法人北海道大学[会长] 穗金清宏]（以下简称“北海道大学”）与农学研究生院博士生张成汉、石上幸太、国立农业食品研究机构[会长：隈和夫]、大学间研究所法人、国家基础生物学研究所（所长：阿方清和）、法国国家科学研究中心（CNRS）合作。气管活性氧参与构成气管的蛋白质的交联，并在硬化和维持气管形状方面发挥重要作用。
昆虫没有肺，而是通过遍布全身的气管进行呼吸。气管是节肢动物移居陆地时获得的一种新的呼吸器官，阐明其形成机制不仅对于阐明昆虫的进化具有重要的学术意义，而且还可能促进新的害虫防治技术的发展。在这项研究中，我们发现活性氧在气管硬化和维持其形态方面发挥着重要作用。他们还发现，生活在昆虫肠道中的需氧细菌通过消耗氧气来促进气管的形成。这些与气管形成有关的机制的发现可能会导致抑制气管形成的新害虫防治技术的发展。
这项研究的详细内容可以在美国学术期刊《》中找到美国国家科学院院刊''（《美国国家科学院院刊》）即将在线出版。
气管（黄色），结构复杂，包围着臭虫的消化道（绿色）
昆虫没有肺，通过气管直接交换氧气和二氧化碳来呼吸。气管角质层气管是昆虫的祖先进化而来的器官，以前在水下用鳃呼吸，以便移动到陆地上并有效地呼吸空气。人们认为，这使得它们即使在陆地上也能有效地利用氧气，使它们能够进行飞行等敏捷和动态的运动。尽管气管被认为在昆虫适应陆地的过程中发挥了重要作用，但对其形成机制却知之甚少，特别是提供其坚固性的硬化机制。阐明昆虫独特的生理生态以及导致其的遗传基础和生化机制具有重要的学术意义。
AIST一直在进行研究，目的是阐明害虫的新生理生态和许多害虫所拥有的共生微生物的功能。特别是，我们以危害大豆的农业害虫椿象为模型系统进行研究，研究了其生理生态和肠道。共生细菌的功能2015 年 9 月 1 日、2018 年 1 月 18 日AIST 新闻稿）。在这个过程中，昆虫肠道细菌揭示基因工程和昆虫的多样性和功能基因沉默技术（RNAi）并推进了共生现象多方面分析的技术。同时，北海道大学与产业技术研究院合作设立了研究生院，一直在进行环境微生物的研究。
这次，在研究椿象在其肠道内维持共生需氧细菌的机制过程中，他们发现了一种与气管形成有关的机制。
这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (15H05638、19K15724) 和特别研究员补助金 (201911493) 的支持。
双氧化酶 (Duox) 是一种产生活性氧的酶。据报道，在一些昆虫中，胃肠道上皮细胞表达的Duox产生的活性氧被释放到胃肠道腔内，在抑制肠道细菌方面发挥重要作用，但Duox在维持肠道共生菌方面的作用仍不清楚。臭虫的肠道共生细菌共生在消化道中发育的袋状组织（盲肠）中。当我们使用 RNAi 抑制椿象中 Duox 的表达时，共生细菌的数量显着减少（图 1）。
图 1 Duox 表达的抑制可减少肠道共生细菌
绿色显示肠道共生细菌，共聚焦显微镜图像中的蓝色显示椿象的细胞核，红色显示细胞骨架。
当我们调查 Duox 在臭虫胃肠道中的表达部位时，我们发现 Duox 在胃肠道的细胞中不表达，但在胃肠道周围的气管中强烈表达（图 2）。众所周知，Duox 产生的活性氧可交联蛋白质中的酪氨酸并形成二酪氨酸键 (DTN)，这在维持组织形态和硬化方面发挥着重要作用。因此，当我们用二酪氨酸抗体对臭虫的胃肠道进行免疫染色并观察时，我们发现气管中特异地观察到了二酪氨酸。此外，还发现通过RNAi抑制Duox或向臭虫喂食抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸来抑制活性氧的产生，可显着抑制二酪氨酸的形成，或气管的形成（图2）。
图2 Duox在气管中的表达及其功能
左边是各组织中 Duox 的表达水平，右边是肠道中二酪氨酸结合 (DTN) 的检测。
在左侧的条形图中，Duox 表达具有统计显着差异的组织用不同的字母表示。
由于共生菌是需氧的，有可能是气管发育不全阻碍了消化道管腔的氧气供应，抑制了共生菌的生长，导致其衰退。事实上，Duox 表达受到抑制的个体的共生细菌在缺氧期间表现出特征性的基因表达模式。此外，当Duox表达受到抑制且气管形成受到抑制的个体在氧浓度为40%的培养室中饲养时，尽管气管形成受到抑制，但共生细菌的数量显着增加（图3）。这些结果表明，Duox 在气管的形成中发挥着重要作用，从而增加肠道内的氧气浓度并稳定维持共生细菌。
图3 氧气浓度对肠道细菌数量的影响
左边是使用绿色荧光观察肠道内共生细菌的图像，右边是通过定量PCR测量的肠道细菌数量。
观察到统计显着差异的实验区域用不同的字母表示。
我们还发现，未感染共生细菌的个体气管发育明显较低（图 4）。这表明定植于肠道的共生细菌诱导气管的形成。据认为，肠道内的气管形成被激活，可以有效地为肠道内的共生细菌提供氧气（图 5）。此外，当通过RNAi抑制参与诱导气管形成的转录因子（Bnl、Trh、Sima）的表达时，与抑制Duox表达时的情况一样，气管形成显着受到抑制（图4），同时共生菌的数量也大大减少。
图4 椿象气管形成状态
图5肠道细菌诱导气管形成和Duox气管僵硬机制的概述
为了证实这种现象是否是椿象所特有的，我们测量了模型昆虫蟋蟀、蚕和幼虫中Duox的表达水平，发现Duox在气管中的表达量远高于中肠组织中的表达量。此外，当我们调查果蝇基因表达数据库时，我们发现果蝇气管中Duox的表达水平也很高（图6）。这些发现强烈表明，Duox 诱导的气管硬化和形态发生是昆虫中广泛观察到的普遍现象。
图6 Duox在各种昆虫中的表达水平
*表示存在统计上显着的差异。
未来，我们将继续分析除昆虫外还发育出气管的陆生节肢动物（例如蜘蛛纲动物）中活性氧产生酶（Duox）的功能，并研究当节肢动物进入陆地环境时发生了什么样的进化。此外，由于这一发现可能会导致抑制害虫气管形成的新型害虫防治技术的发展，因此我们还将对抑制Duox功能的化合物和抗氧化剂进行研究和开发。