- 通过操纵控制昆虫变态的基因，我们成功地使椿象加速或停止向成虫形态的转变
- 随着臭虫的变态，容纳肠道共生菌的器官也具备了消化食物的功能。此外，肠道共生细菌产生蛋壳成分，支持臭虫旺盛的繁殖能力
- 预计有助于开发针对变态和共生机制的害虫防治方法
通过操纵控制德国绿蝽变态的基因，我们创造了失去成虫时机的个体（左起第二个）和早于正常蜕皮次数的个体（左起第三个）
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）生物过程研究部生物共生进化机制研究组首席研究员森山稔，高级首席研究员二桥亮，首席研究员（东京大学研究生院理学研究科教授（兼））大石沙美美，博士生东京大学理学研究科生物科学研究科（当时）。前AIST技术实习生、日本学术振兴会研究员水谷正树肠道共生菌生存所必需德国臭虫，(i)变态变态后的前幼虫和成虫，在消化道后端发育共生器官的形态和功能是不同的，(ii) 共生器官从幼虫型转变为成虫型变态控制基因，（iii）幼虫型共生器官专门保留肠道共生细菌，而成虫型共生器官另外消化和吸收食物； (iv) 成虫肠道共生细菌合成大量蛋壳形成所需的氨基酸； （v）我们发现，臭虫本身及其肠道共生细菌在变态过程中发生的变化支持了成年臭虫的旺盛繁殖力，它们摄入大量食物并每隔几天产下卵块。
这项研究表明，变态是支持昆虫多样性和繁荣的因素之一，它不仅控制着昆虫本身，还控制着昆虫肠道内共生细菌的功能。这是一个重要的结果，揭示了共生关系中不同物种之间的高度功能整合，并可能有助于开发针对变态和共生机制的害虫防治方法。
这项研究成果的详细内容将发表在美国学术期刊《美利坚合众国国家科学院院刊”（美国国家科学院院刊）上。
地球上的生物在生态系统中相互作用的同时不断进化并适应各自的栖息地。以这种方式发展起来的对生物功能的高级理解不仅对基础生物学很有趣，而且还被用于各种应用中。
全世界有超过 40,000 种椿象，日本有超过 1,500 种，其中包括许多农业害虫。 AIST 的生物过程研究部门致力于阐明昆虫的高级生物功能，并正在进行各种研究，特别关注与微生物的共生关系。臭虫需要特定的肠道共生细菌才能生存，迄今为止，研究人员已成功将大肠杆菌进化为昆虫共生细菌。2022 年 8 月 4 日 AIST 新闻稿1)等研究成果公布。另一方面，我们也在研究变态机制，这与昆虫的多样性和环境适应密切相关，目前已成功鉴定出一组蜻蜓从幼虫到成虫变态所必需的基因。2022 年 2 月 22 日 AIST 新闻稿2)等已宣布。然而，人们尚不清楚昆虫变态如何与微生物的共生关系相关。这次，我们以德国绿蝽的肠道共生系统为模型，阐明了共生与变态之间的关系，并获得了新的知识。
这项研究和开发得到了国家研究开发机构、日本科学技术振兴机构的“ERATO深津共生进化机制项目”和科学研究补助金（新学术领域的研究等）的支持。
德国绿蝽消化道的后端被称为共生器官。盲膀胱的袋状结构肠杆菌科泛菌属)（图1A）。此前的研究表明，幼虫和成虫的共生器官结构存在显着差异。在幼虫中，共生器官的前端完全封闭，食物不会流入共生器官，所有食物被认为在消化道的前半部被吸收（图1B-D）。相反，在成人中，共生器官的前端是开放的，允许食物从消化道进入共生器官，但盲肠基部是封闭的（图1E-G）。这些差异是如何产生的？
昆虫青春荷尔蒙和蜕皮激素的作用，变态控制基因的表达发生变化，发生从幼虫到成虫的变态。具体来说，在保幼激素存在的情况下幼虫化基因 (Kr-h1）在这种状态下表达并且蜕皮激素起作用，幼虫在不变态的情况下蜕皮。另一方面，在没有保幼激素的情况下成化基因 (E93）开始表达并激活蜕皮激素，蝴蝶、苍蝇和甲虫蜕皮为蛹，而臭虫、蜻蜓和蚱蜢则蜕皮为成虫。
图1 德国绿蝽的共生器官
(A) 德国绿蝽的切除消化道。黄色箭头表示胃肠道后端的共生器官，红色箭头表示共生器官前端的狭窄区域。盒子显示了共生器官和盲肠排列的放大图。 (B-D) 幼虫及其共生器官的照片和示意图。 (E-G) 成虫及其共生器官的照片和示意图。
在德国绿蝽中，幼虫通常即将进行第五次蜕皮（5龄幼虫) 蜕皮并成为成虫（图 2A、B）。然而RNA干扰法的技术抑制 5 龄幼虫中成虫基因的表达时，蜕皮的个体变成了看起来像幼虫的 6 龄幼虫（图 2C）。另一方面，当我们抑制四龄幼虫中幼虫化基因的表达时，蜕皮的个体变成了看起来像成虫的早熟蠕虫（图2D）。当我们检查这些个体的共生器官时，我们发现老年幼虫具有幼虫型共生器官，早熟幼虫具有成虫型共生器官（图2C，D）。即使在6龄时身体变大，如果抑制成虫基因的表达，体形和体内的共生器官都会变成幼虫型。但是，即使在5龄时身体幼小，如果抑制幼虫化基因的表达，那么不仅体形，体内的共生器官也会变成成虫型。此外，对共生器官中基因表达模式的分析表明，食物流入的成体型共生器官实际上负责消化功能。换句话说，研究表明，决定共生器官成为幼虫还是成虫的不是发育阶段（5龄或6龄）或生长程度（身体变大或变小），而是变态控制基因。
图2 德国绿蝽超龄幼虫与早熟昆虫的共生器官结构
(A) 正常幼虫（第 5 龄）。 (B) 正常成虫（第六龄）。 (C) 老幼虫（第六龄）。 (D) 早熟昆虫（第五龄）。上排显示昆虫的外观，中排显示狭窄的组织学图像，下排显示盲肠囊的组织学图像。可见，老年幼虫具有幼虫型共生器官，早熟虫具有成虫型共生器官。
此外，我们研究了肠道共生细菌的基因表达模式，发现在成虫的共生器官中半胱氨酸）的表达全面显着增加。此外，成虫血淋巴中的半胱氨酸含量明显高于幼虫。当我们调查臭虫体内的半胱氨酸含量时，我们发现它在蛋中的含量比花生食物或整个成虫体内的含量还要丰富（图3B），而且大部分都包含在蛋壳中（图3C）。半胱氨酸是二硫键，它可以在蛋白质分子之间交联并强化结构，这被认为对于形成坚硬耐用的蛋壳很重要。成年雌性椿象表现出旺盛的繁殖力，在提供充足食物的情况下，每 2 至 3 天产生约 14 个卵，持续一个多月（图 3A），但成年雌性椿象的肠道共生细菌被认为受到控制，产生大量半胱氨酸以支持其繁殖力。
图3 德国绿蝽蛋壳中半胱氨酸含量高
(A) 德国绿蝽的卵块。 (B) 花生食品、新成虫、雄性精液和雌性卵中的半胱氨酸含量。 (C) 蛋内容物和蛋壳的半胱氨酸含量。
这些研究表明，当德国绿蝽从幼虫转变为成虫时，由于变态控制基因的作用，其体内的共生器官的形态和功能也发生了从幼虫到成虫的形态和功能的变化，肠道共生细菌的功能也从幼虫到成虫的形态发生了变化。这些变化具有重要的生物学意义，因为它们是基于“幼虫期生长”和“成虫期繁殖”生长阶段的功能分工，幼虫中的共生器官和肠道共生细菌的功能只是维持支持自身生长的共生关系，而成虫则转向消化食物以进行旺盛摄食和合成蛋壳成分以进行产卵。这项研究表明，具有共生关系的昆虫和微生物通过称为变态的戏剧性发育过程在功能上高度整合。
在这项研究中，幼虫化基因被称为变态控制基因 (Kr-h1) 和成人化基因 (E93)揭示了共生器官和肠道共生菌决定了它们是成为幼虫还是成虫类型，但执行力的具体基因是Kr-h1是啊E93调节的下游基因。
未来的研究还将重点关注控制变态的保幼激素和蜕皮激素控制宿主昆虫共生器官的形态和功能的具体机制。特别是，很难想象肠道共生细菌是直接受这些激素控制的，而是通过共生器官的一些变化间接控制的，我们将继续努力阐明这一现实。
破坏农业害虫（包括椿象）变态的药剂已被用作杀虫剂。昆虫生存所必需的肠道共生细菌1以及参与杀虫剂抗性的肠道共生细菌3也有望成为害虫防治的新目标。了解昆虫变态与共生之间的关系也将有助于这些害虫防治技术的发展。
已出版的杂志：美利坚合众国国家科学院院刊
论文标题：昆虫变态过程中微生物共生的调控与重塑
作者：Sayumi Oishi、Minoru Moriyama、Masaki Mizutani、Ryo Futahashi、Takema Fukatsu