国立先进产业技术综合研究所 【理事长：石村和彦】（以下简称“AIST”）生物过程研究部【研究主任：铃木薰】生物共生进化机制研究组 古贺龙一，研究组组长 田桥香彦，前 AIST 特别研究员（现为台湾师范大学研究员）稔Moriyama，首席研究员，Takema Fukatsu 主要研究员是马库斯错误的母虫产生共生细菌分析胶囊的内容并找到一本小说分泌蛋白占了大多数。我们发现这种蛋白质可以保护宿主体外脆弱的共生细菌，使共生细菌能够遗传给下一代。研究还发现，胶囊的生产会缩短雌性成虫的寿命。换句话说，昆虫妈妈为了后代而“牺牲自己的生命”共生菌胶囊
这一结果揭示了与微生物共生所必需的宿主端因素，并且是一项新发现，将有助于阐明维持共生的分子机制。从与微生物的共生与父母和孩子之间的依赖关系的演变如何相关的角度来看，这一发现也很有趣。
该结果详情将于2021年6月14日（美国东部时间）后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》）。
盐甲虫产卵（左）背部，（右）腹
卵之间可见的棕色物质是共生细菌胶囊
在生态系统中，各种各样的生物不仅适应各自的栖息地，而且彼此相互作用共同进化我做到了。这样生物多样性生物相互作用产生的高级生物功能不仅对基础生物学很有趣，而且还可以产生新的生理活性物质和药物先导化合物生物遗传资源然而，生物多样性巨大，仍有许多未开发的领域。
AIST 的生物过程研究部门正在对昆虫进行研究，昆虫是多种多样且熟悉的，但也存在许多未知之处，特别关注与微生物的共生关系。全世界有40,000多种椿象，其中1,500多种分布在日本，其中许多是农作物害虫。对于许多臭虫来说，特定的肠道共生细菌对于生存至关重要，AIST 迄今为止已鉴定出“从环境细菌进化而来的共生细菌”（2016 年 1 月 11 日 AIST 新闻稿我们在臭虫与微生物之间的共生关系中的新生物功能方面取得了世界领先的研究成果，包括（参见本新闻稿末尾的[相关文章]）。2007 年 6 月 13 日、2012 年 4 月 24 日、2013 年 6 月 11 日、AIST 新闻稿，2014 年 9 月 26 日）。
马库斯虫具有某些共生细菌 (石川寺Ishikawaella)，没有共生细菌就无法正常生长或繁殖。在漫长的共生进化过程中，共生细菌也失去了许多在外部环境中生存所必需的基因，其基因组萎缩，失去了在宿主体外生存的能力。当臭虫在植物上产卵时，它也会产下棕色的小块（视频 1）。这种物质被称为“共生细菌胶囊”，里面充满了共生细菌，当孵化的幼虫刺穿其长鼻并摄入内容物时，共生细菌就会遗传给下一代。换句话说，通过封装脆弱的共生细菌，卵可以在孵化前在恶劣的外部环境中存活一周以上。尽管日本产业技术研究所已经取得了褐斑蝽共生菌的研究成果，但该胶囊的成分和功能尚不清楚，所以这次我们努力找出答案。
这项研究得到了日本科学技术振兴机构 (JST) 战略创意研究促进计划激活研究 (ERATO)“深津共生进化机制项目”（JPMJER1803、JPMJER1902）和文部科学省科学研究补助金 (JP25221107) 的支持。
视频 1：棕色臭虫产卵和共生细菌胶囊（30 倍速）
当棕色有纹蝽的胃肠道被切除并进行组织学检查时，中肠的后部是共生细菌的共生区域。特别是，成年雌性在共生区的后部发育出一个增厚的壶腹，并在后端发育出一个深色的球状末端区域（图1）。这些是用于产生共生细菌胶囊的结构，其中从共生区域供应的共生细菌被包裹在壶腹区域的分泌物中，并且共生细菌和分泌物的混合物被储存在末端区域中。和来自终端区域的上皮甲壳质的分层“外壳”这样，我们就阐明了共生菌荚膜的形成机制（图2）。
图 1 雌性成年马里库斯甲虫的胃肠道
消化道中，口腔侧的中肠第一、第二、第三区域负责消化吸收，肛门侧的第四区域是一个长期发育的共生器官。
在雌性中，第四区域进一步分化为用于共生细菌保留和荚膜产生的共生区域、壶腹区域和末端区域。
图2 褐斑蝽雌性成虫共生器官的结构和功能
上图是组织切片的显微照片。宿主细胞核被染成紫色，PMDP 被染成棕色。
下图是共生器官的结构和各区域功能的示意图。
当我们研究胃肠道各个区域和共生细菌荚膜中的蛋白质和基因表达时，我们发现一种类型的蛋白质占荚膜中的大部分蛋白质。这种蛋白质在雌性中肠的壶腹部和末端区域大量合成和分泌，并与共生细菌一起装入胶囊中。该蛋白质被命名为 PMDP（后中肠优势蛋白）。
为了研究PMDP在雌性椿象成虫中的功能RNAi方法抑制 PMDP 基因表达（以下简称“PMDP打压”）。结果，共生器官中的共生菌死亡，导致荚膜数量减少、体积变小、透明度降低，最终产下没有共生菌荚膜的卵块（图3、视频2）。
图3使用RNAi方法抑制PMDP对斑纹臭虫共生细菌荚膜产生的影响
胶囊变得更小、更透明，数量也减少，直到最终它们开始产下没有胶囊的卵块。参见视频 2。
视频 2：抑制荚膜蛋白 (PMDP) 的斑纹臭虫的产卵行为（20 倍速）
在椿象的正常卵团中，孵化的幼虫会吸食囊内的内容物约一个小时，然后保持静止并在蛋壳附近形成群体。然而，在经过RNAi方法处理的雌性产下的卵块中，孵化出的幼虫在没有进入静止期的情况下四处移动，并且没有形成簇（图4，视频3）。这是因为他们继续寻找共生细菌胶囊；事实上，经RNAi方法处理的雌性产生的卵块所产生的幼虫无法获得共生细菌，并且与正常卵块所产生的幼虫相比，它们的生长显着延迟（图4）。
图4 使用RNAi方法抑制PMDP对孵化臭虫幼虫的行为和生长的影响
由于 PMDP 抑制，从没有荚膜的卵块中孵化出来的幼虫无法获得共生细菌，表现出行为异常（参见视频 3），并且发育严重迟缓。
视频 3 含有抑制荚膜蛋白 (PMDP) 的马丁臭虫所产卵块衍生的孵化幼虫的行为（20 倍速）
由于 PMDP 抑制而不再产生胶囊的女性成人比正常女性成人具有更低的死亡率和更长的寿命（图 5）。这似乎是在“饶命”地为孩子打造一个共生菌囊。
图5 使用RNAi方法抑制PMDP对雌性成年马丁蝽存活的影响
RNAi 治疗后 10 天左右，当胶囊产量减少时，存活率显着提高。
在这项研究中，我们发现了一种新型的源自宿主的分泌蛋白，它参与共生细菌在宿主体外的生存以及向下一代宿主的传播。这一发现揭示了与微生物高度共生关系所必需的宿主因素，并为理解共生的分子机制提供了新的线索。人们普遍认为，共生细菌在漫长的进化过程中逐渐失去基因，基因组缩小，基因和功能退化。新发现的蛋白质被认为是宿主为了抵抗共生细菌的衰弱而获得的一种机制，从共同进化的角度来看也很有趣。此外，由于该蛋白具有保护宿主体外脆弱共生菌的功能，因此可用于保存和维持难以培养的微生物，也有望用于新微生物资源的开发和利用。
未来，我们计划利用基因工程技术大量生产这种荚膜特异性分泌蛋白PMDP，详细研究其性质，并检验其对共生菌的保护作用是否可以用于保存和培养难以培养的微生物。