发现了从母亲向孩子传递共生细菌所需的宿主蛋白质 -

 - -蝽象会削减生命，将共生细菌胶囊传给孩子-

重点发现了蝽象共生细菌胶囊中大量含有的新分泌蛋白质这种蛋白质是在宿主体外保护脆弱的共生细菌，传递给下一代所必须的 虽然母虫的寿命会缩短，但是为了孩子的生存会削减生命，产生共生细菌胶囊

概要国立研究开发法人产业技术综合研究所【理事长石村和彦】(以下称为“产综研”)生物过程研究部门【研究部门长铃木馨】生物共生进化机构研究小组组长、棚桥薰彦原产综研特别研究员(现台湾师范大学研究员)、森山实主任研究员、深津武马首席研究员等， 分析了蝽象母虫产生的共生细菌胶囊的内容物，发现单一的新分泌蛋白质占大部分。 研究表明，该蛋白质通过在宿主体外保护脆弱的共生细菌，可以将共生细菌传递给下一代。 另外，发现雌成虫的寿命会因胶囊的产生而缩短。 也就是说，母虫正在为“削减生命”的孩子制作共生细菌胶囊。该成果明确了与微生物共生所需的宿主方面的因子，是与共生维持的分子机制的阐明相关的新发现。 从与微生物的共生如何与亲子间依赖关系的进化相关的观点来看，也是一个有趣的见解。这一成果的详细情况将在2021年6月14日(美国东部时间)以后的美国学术杂志《国家科学院院刊》(美国科学院院报)上在线刊登。

产卵中的蝽象(左)背面(右)腹面卵之间可见的褐色块状共生的细菌胶囊

研究背景生态系统中，各种各样的生物，不仅适应各自的生存环境，还在相互作用的同时共同进化。 这种生物多样性中的生物间相互作用产生的高级生物功能，不仅在基础生物学上很有意思，还作为与新型生理活性物质和医药的先导化合物等相关的生物基因资源，以各种各样的形式得到了应用。 但是生物多样性巨大，未探索的领域还到处都有。

研究的经过产业综合研究所生物工艺研究部门针对多种多样、身边且未知部分也多的昆虫类，展开了特别着眼于与微生物的共生关系的研究。 蝽象类分布在世界40，000多种，日本1，500多种，并不少含有农作物害虫。 在许多蝽象类中，特定的肠内共生细菌是生存所必须的，产总研此前发表了“由环境细菌进化而来的共生细菌”( 2016年1月11日日产总研新闻发布)。 参照本发行版最后的【相关报道】)等，针对蝽象类与微生物共生关系中的新生物功能，列举了引领世界的研究成果( 2007年6月13日、2012年4月24日、2013年6月11日、2014年9月26日日产总研新闻发布)。蝽象类在肠内含有特定的共生细菌(伊卡韦拉Ishikawaella荚膜假丝酵母 )，如果没有共生细菌就不能正常生长和繁殖。 共生细菌也丧失了在漫长的共生进化过程中在外部环境中生存所需的许多基因，基因组缩小，失去了在宿主体外生存的能力。 蝽象在植物上产卵时，会一起产下小褐色的疙瘩(视频1 )。 这个团被称为“共生细菌胶囊”，内部充满共生细菌，孵化幼虫通过刺穿口吻摄取内容物，将共生细菌传递给下一代。 也就是说，脆弱的共生细菌被封入胶囊中，可以在卵孵化之前的一周以上的恶劣外部环境中生存。 产业综合研究所列举了关于蝽象共生细菌的研究成果，但不清楚该胶囊是由什么成分组成、承担什么样的功能，此次致力于其分析。另外，本研究在科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业总结实施型研究( ERATO )“深津共生进化机构项目”( JPMJER1803、JPMJER1902 )和文部科学省科学研究费补助金( JP25221107 )的支持下实施。

视频1产卵及共生细菌胶囊的蝽象( 30倍速)

研究的内容摘取蝽象消化道进行组织学调查后发现，中肠后部成为了保有共生细菌的共生区域。 特别是雌成虫，共生区域的后部发育有变粗的膨大区域，后端发育有暗色、球状的末端区域(图1 )。 它们是产生共生细菌胶囊的结构，共生区域供给的共生细菌在膨大区域被分泌物包裹，该共生细菌和分泌物的混合物储存在末端区域。 然后从末端区域的上皮分泌甲壳素层状的“壳”，产卵时共生细菌和分泌物被壳包围作为胶囊排出。 这样，明确了形成共生细菌胶囊的结构(图2 )。

                                                图1蝽象雌性成虫的消化道消化道中，位于口侧的中肠第1、2、3区域进行消化吸收，肛门侧的第4区域成为长大发达的共生器官。雌性的第4区域进一步分化为用于共生细菌保持和胶囊生产的共生区域、膨大区域、末端区域。

图2蝽雌成虫中共生器官的结构和功能上图是组织切片的显微镜照片。 宿主被染色为紫色，PMDP被染色为褐色。下图显示共生器官结构的模式图及各区域的功能。

调查了这些消化道各区域以及共生细菌胶囊中的蛋白质和基因表达，发现一种蛋白质占胶囊内构成蛋白质的大部分。 该蛋白质在雌性中肠的膨大区域和末端区域大量合成分泌，并与共生细菌一起填充到胶囊中。 该蛋白质被命名为pmdp ( posterior mid gut dominant protein :后部中肠优势蛋白质)。为了研究PMDP的功能，采用RNAi法在蝽象雌成虫中抑制PMDP基因的表达(以下称为“抑制PMDP”)。 于是，共生器官内的共生细菌死亡，产生囊数减少、小型化、透明化，最终产生没有共生细菌囊的卵块(图3、视频2 )。

图3 RNAi法抑制PMDP对蝽象共生细菌胶囊生产的影响胶囊变小变透明，数量减少，不久就会产下没有胶囊的卵块。 参见视频2。

视频2抑制胶囊蛋白质( PMDP )的蝽象产卵行为( 20倍速)

在蝽象的正常卵块上，孵化幼虫在吸收胶囊内容物1小时后静止，在卵壳附近形成群体。 但是，在用RNAi法处理的雌性产下的卵块中，孵化幼虫没有进入静止期而是步行，没有形成群体(图4、视频3 )。 这是因为一直在寻找共生细菌胶囊，实际用RNAi法处理的雌性产生的卵块来源的幼虫未能获得共生细菌，与正常卵块来源的幼虫相比生长明显迟缓(图4 )。

图4 RNAi法抑制PMDP对蝽象孵化幼虫行为及生长的影响由于抑制PMDP而从没有胶囊的卵块中孵化的幼虫，不能获得共生细菌，表现出行为异常(参见视频3 )，发育明显迟缓。 。

视频3抑制胶囊蛋白质( PMDP )的蝽象所产卵块来源的孵化幼虫的行为( 20倍速)

由于抑制PMDP而不再产生胶囊的雌成虫比正常的雌成虫死亡率降低，寿命延长(图5 )。 这看起来像是“削减生命”为孩子制作共生细菌胶囊。

图5 RNAi法抑制PMDP对蝽象雌成虫生存的影响从胶囊生产下降的RNAi处理后10天左右开始，生存率得到了明显改善。

这次，在蝽象中，不管宿主体外共生细菌的生存和向下一代宿主的传递，都鉴定了宿主来源的新分泌蛋白质。 它明确了与微生物高度共生关系中必需的宿主方面的因子，是向共生的分子机制的理解发出新光的发现。 一般认为，共生细菌在漫长的进化过程中逐渐失去基因，基因组缩小，遗传功能退化。 此次发现的蛋白质被认为是宿主方面为了对抗那种共生细菌的脆弱化而获得的结构，从共进化的观点来看也很有趣。 另外，该蛋白质具有在宿主体外保护脆弱共生细菌的功能，因此有可能用于保存和维持难以培养的微生物，也有望应用于新型微生物资源的开发和利用。

今后的计划今后，将利用基因操作技术大量生产该胶囊特异性分泌蛋白质PMDP，在详细调查其性质的同时，探讨其共生细菌保护作用是否可以用于难以培养的微生物的保存和培养。

用语说明◆侧刺蝽是属于半翅目昆虫科的蝽象的一种。 学名Megacopta punctatissima。 体长5毫米左右，褐色呈圆形。 以人渣为主要食草类经常发生。 有时会作为大豆等害虫成为问题。 2009年左右被带入北美，作为入侵害虫不断扩大生存区域。 或者是圆蝽科昆虫的总称。 已知世界约有56属530种，日本有4属15种。 返回参照源◆共生细菌是指生物体内共生的细菌。 根据存在部位不同，有存在于肠内的肠内共生细菌、存在于体表和体外结构内的外部共生细菌、存在于细胞中的细胞内共生细菌等。 由于对宿主生物的影响，从寄生到有益的多种多样，也有寄生共生细菌、单侧共生细菌、互利共生细菌等分类。 对于有益的共生细菌，根据其对宿主生物的功能，有营养共生细菌、消化共生细菌、防卫共生细菌等。 返回参照源◆共生细菌胶囊蝽象科的蝽象，有在产卵时一起产生含有共生细菌·沙丁鱼鳃的分泌物块的习性，这被称为共生细菌胶囊。 通过孵化幼虫吸食这个群体，生长所需的共生细菌会传递给下一代。 返回参照源◆分泌蛋白质是指分泌到细胞外的蛋白质。 末端具有分泌信号这一特征性氨基酸序列。 返回参照源◆共进化多种生物一边互相影响，一边不断进化。 返回参照源◆生物多样性表示在生态系统、某个地区或整个地球上存在多种生物的概念。 是包含遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性等的概念。 返回参照源◆生物间相互作用生物相互影响着。 例如捕食-被食关系、寄生关系、竞争关系、互利关系等。 返回参照源◆生物基因资源是指目前或潜在有利用价值的生物以及构成其的基因、蛋白质、物质等。 返回参照源◆伊施卡·瓦伊拉蝽象类生长和繁殖所需的肠内共生细菌。 学名Candidat US Ishikawa Ella Capsula ta。 大量存在于中肠后部的共生区域，通过共生细菌胶囊传递给下一代幼虫。 作为蝽象唯一食物的植物汁液中缺乏蛋白质，具有提供其合成所需的必需氨基酸的功能。 基因组大小比近亲的大肠菌缩小1/6以下，失去了在宿主体外的环境中生存所需的许多基因和代谢系统，无法增殖和培养。 返回参照源◆中肠昆虫类消化道由与口相连的前肠、与肛门相连的后肠、连接其间的中肠组成。 实质上，占消化道的大部分，消化吸收的大部分在中肠进行。 返回参照源◆甲壳素甲壳素是含氮的多糖高分子，物质名称为聚-β-1-4-N-乙酰葡萄糖胺。 覆盖昆虫类和甲壳类外表面的外骨骼和表皮由以甲壳素为主的多糖高分子构成，这被称为甲壳质。 返回参照源◆RNAi法RNA干涉法( RNA interference )的缩写。 一种利用双链RNA互补碱基序列的mRNA分解现象，通过人工将双链RNA导入生物体内或细胞内抑制靶基因表达的方法。 由于RNAi的发现，安德鲁·费耶和克雷格·梅洛获得了2006年的诺贝尔生理学或医学奖。 返回参照源