米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）生物过程研究部微生物生态工学研究组 菊池义智 高级研究员（兼）国立大学法人北海道大学研究生院农学研究科客座副教授 环境创造研究部环境功能利用研究组 佐藤裕也 国立大学法人北海道大学首席研究员（以下简称《北海道大学》）与当时农学研究科博士生张成汉先生、秋田县立大学生物资源学部应用生物科学系（以下简称“秋田县立大学”）竹下和隆助理教授合作，与国立农业食品研究机构[会长：隈和夫]（以下简称“NARO”）合作进行了调查是否能检测到肠道内的害虫。共生细菌通过行动抗农药性的机制。
肠道共存的细菌参与害虫农药抗性的机制尚不清楚。 AIST与其他机构合作，研究了共生菌如何在臭虫害虫的肠道中解毒，并确定了共生菌解毒所必需的基因。该基因使共生细菌能够快速分解进入害虫体内的农药。然而，农药的降解产物被发现对共生细菌本身有毒。该物质对害虫宿主无毒，害虫会迅速将其排出体外。结果，共生细菌可以解毒农药并继续在害虫体内生存。这次，我们发现害虫和共生菌在农药解毒过程中相互作用。
该成果于2021年11月5日（英国时间）发表在英国学术期刊``
自然通讯
昆虫与农药解毒相关共生菌的关系
由于气候变化和人口增长导致粮食短缺，农业化学品对于确保稳定的粮食供应变得越来越重要。还需要使用杀虫剂来控制吸血卫生害虫，例如传播疟疾的按蚊，以及白蚁和蟑螂等家庭害虫。
另一方面，连续使用单一农药可能会导致出现抗药性害虫。抗药性机制之一是由于昆虫本身的基因突变而导致农药所针对的蛋白质结构发生变化。近年来，人们还发现昆虫体内的共生细菌在农药解毒中发挥着重要作用。然而，共生菌介导的农药解毒机制至今尚未阐明。
对杀虫剂和杀虫剂具有抗药性的害虫的出现，是开发药物的人类与抗药性更强的害虫之间的一场永无休止的战斗。由于新药的开发需要大量的成本和时间，因此必须防止耐药性的发生。因此，了解耐药性产生的机制是一个重要的问题。
AIST的生物过程研究部门一直在进行研究，目的是阐明害虫的新生理生态以及与害虫共存的微生物的未知功能。例如，我们使用以大豆为食的农业害虫及其共生细菌作为模型来阐明其特性和共生机制（2015 年 9 月 1 日、2018 年 1 月 18 日、2021 年 3 月 2 日AIST 新闻公告等）。在此过程中，他们发现，由于农药降解细菌与椿象的共生，昆虫宿主对农药产生了抗药性（2012 年 4 月 24 日AIST 新闻稿）。
这次，我们将环境创造研究部的遗传分析技术应用于生物过程研究部的昆虫共生细菌模型，并与北海道大学、秋田县立大学、国立农业食品研究机构合作，阐明了昆虫和共生细菌分解农药的机制。
这项研究得到了独立行政机构日本学术振兴会科学研究补助金和公益财团法人发酵研究所的研究补助金的部分支持。
当两种不同物种的生物体共存时，这些生物体可能会获得全新的功能。一个例子是众所周知的“内共生”，即植物和动物在体内维持有用的细菌。 AIST 发现了一种现象，即农业害虫臭虫通过与降解有机磷农药杀螟硫磷的微生物共存而获得农药抗性（图 1）。然而，参与降解农药的共生菌的基因以及农药在椿象体内的分解途径尚不清楚。
图 1 臭虫和共生细菌定殖的胃肠道
因此，通过让试管中培养的共生细菌降解杀螟硫磷并检查在此过程中激活的基因，我们阐明了涉及五个基因的杀螟松分解途径（图 2a，上半部分“试管培养期间”）。此外，虽然共生细菌可以降解杀螟硫磷，但降解产物（3M4N [3-甲基-4-硝基苯酚]）对共生细菌具有剧毒并抑制其生长（图2b）。换句话说，这种共生细菌表现出一种不合理的特性，即通过降解杀螟硫磷来为自身产生毒物，杀螟松对其昆虫宿主有毒。另一方面，3M4N被发现对昆虫宿主无害（图2c）。
接下来，我们重点关注 3M4N 的解毒过程，它对共生细菌有毒。当共生菌在体外培养时，杀螟硫磷被降解，3M4N暂时积累，抑制共生菌的生长。然而，3M4N 降解酶逐渐被激活，共生细菌能够自行降解 3M4N（图 2a，顶部）。另一方面，在臭虫体内定殖的共生细菌中，只发现负责初始分解反应的第一个降解酶基因被表达（图2a，中行，“当在臭虫体内定殖时”）。该基因的表达会降解杀螟松并生成 3M4N。另一方面，降解3M4N的基因几乎不表达。这表明3M4N由于共生菌分解杀螟硫磷而在臭虫肠道内积聚，可能杀死共生菌。然而，共生细菌在臭虫的肠道中增殖，即使在实验中喂食过量的3M4N，共生细菌仍然不受影响。
这些结果表明，杀螟硫磷的降解产物 3M4N 可以快速从臭虫体内清除，而不影响共生细菌。因此，我们切除了具有共生菌的臭虫的消化道，并研究了杀螟硫磷的分解过程。我们发现杀螟松渗透到消化道并被降解后，降解产物3M4N立即释放到消化道外（图3a）。此外，在椿象的排泄物中检测到3M4N，表明3M4N是在昆虫体外排出的（图3b）。从以上结果可以得出结论，共生细菌分解农药，而椿象迅速去除分解产物中的有毒物质。关于农药解毒，宿主昆虫和共生细菌形成共生关系，这种关系被认为有助于彼此的生存。
图3 胃肠道农药降解和粪便中3M4N的检测
在椿象的体内，第一个基因（mpd)被表达（图2a中图），因此可以假设该基因是唯一与农药抗性相关的基因。为了验证这一假设，我们创建了基因突变菌株，其中农药降解途径中的第一个和第二个基因被删除，使它们与臭虫共生（图4a，b），并研究了它们对农药的抗性。结果，即使共生菌缺少第二个基因，椿象也能获得农药抗性mpd时无法获得阻力。已删除（图 4c）。这证明椿象的农药抗性与共生菌农药降解途径中的第一个降解基因有关。
图4 农药降解基因缺陷菌株的特性及其使宿主昆虫产生抗药性的共生
此外，共生菌引起的害虫的抗药性是由单一基因决定的，这是由于自然环境中的农药分解功能传播时，这一点非常重要这是因为由单个基因决定的特性比由多个基因决定的特性更有可能通过接合在细菌之间传播。为了证实这种可能性，我们将农药降解菌和非降解菌一起培养，发现它们往往是农药分解的第一个酶mpd该基因已被转移到非降解细菌，并且mpd实验表明，这种获得该基因的真菌只需与臭虫共存即可获得杀虫剂抗性（图 5）。
图5 农药降解基因在微生物之间的传递以及昆虫获得农药抗性的机制
既然已经确定了导致农药抗性的基因，我们将继续筛选针对该基因的抑制剂，并推进研究和开发，以防止害虫因农药降解菌而获得农药抗性。此外，我们还将研究臭虫害虫中与农药降解产物（3M4N）排泄有关的基因，并继续研究和开发破坏共生细菌和宿主昆虫通过相互作用共同生存的机制的技术。