産総研、環境細菌から進化する共生細菌を発見

環境細菌から進化する共生細菌
−日本列島の野外昆虫集団でとらえた共生進化過程−


■ポイント
　・日本本土と南西諸島の害虫チャバネアオカメムシ集団では腸内共生細菌が異なることを発見
　・南西諸島には培養可能な共生細菌や潜在的に共生能力をもつ環境細菌が存在
　・共生の起源と進化の理解や、害虫の環境適応機構の理解とその制御への貢献の可能性


■概要
　国立研究開発法人　産業技術総合研究所【理事長　中鉢　良治】（以下「産総研」という）生物プロセス研究部門【研究部門長　田村　具博】　深津　武馬　首席研究員（兼）生物共生進化機構研究グループ　研究グループ長、細川　貴弘　元産総研特別研究員（現　九州大学　助教）らは、放送大学、琉球大学、沖縄科学技術大学院大学と協力して、腸内共生細菌が生存に必須な農業害虫のチャバネアオカメムシにおいて、北海道、本州、四国、九州等（以下「日本本土」という）の集団では共生細菌は単一種であるが、南西諸島では同じ集団中に複数種の共生細菌が共存することを発見した。

　南西諸島のカメムシ集団を詳細に解析したところ、（１）カメムシ体外では培養できず、垂直感染だけで次世代に伝達される共生細菌、（２）　カメムシ体外で培養可能で環境中でも生存でき、垂直感染も環境獲得もおこり、他種カメムシにも感染可能な共生細菌、（３）　通常はカメムシに共生しないが、実験的に感染させると潜在的な共生能力を示す環境細菌、という進化段階の異なるさまざまな共生細菌が共存していた。すなわち南西諸島においては、チャバネアオカメムシの腸内共生関係は日本本土のように確立しておらず、今もダイナミックな進化過程にあることがわかった。

　従来、新しい高度な共生関係が成立する際の具体的な過程や機構はよくわかっていなかったが、現在進行中の共生進化の過程を自然界でとらえたことで、共生の起源と進化の理解が大きく進展するとともに、害虫の環境適応機構の理解とその制御への展開も期待される。

　この成果は２０１６年１月１１日２３時（日本時間）に国際科学雑誌Nature　Microbiology（ネイチャー・マイクロバイオロジー）にオンライン掲載される。


　※参考画像は添付の関連資料を参照


■研究の社会的背景
　ヒトを含む多種多様な動物の消化管内には、多様な細菌、真菌、原生生物などから構成される腸内微生物叢が存在し、さまざまな生物機能を担っている。近年、ヒトでも健康、病気、肥満などに腸内細菌叢が関与するという報告が相次ぎ、腸内微生物叢の多様性、機能、起源に関する研究は大きな展開をみせている。

　カメムシ類は世界で４万種以上、日本だけでも１，５００種余が知られ、農作物の害虫であることも多い。このため、農業や経済の観点から、その生物機能の詳細な解明が待たれる重要な昆虫群であるが、消化管の後端部が共生器官として特殊化し、成長や繁殖に必須な特定の（しばしば単一種の）細菌を保有する。これらの細菌はビタミンや必須アミノ酸などの栄養素を供給しており、多くの場合カメムシの体外では増殖できない。

　このように高度な生物機能を担う特殊化した共生細菌も、もともとは環境中に存在する普通の細菌であったと考えられるが、どのような過程と仕組みにより、環境細菌から高度な共生細菌が生じてきたのかについては、よくわかっていなかった。


■研究の経緯
　産総研では、これまでに昆虫の体内に共生する細菌が有する重要な生物機能の解明や、昆虫と共生細菌の間の高度な生物間相互作用の理解などに取り組んできた。特に農業害虫として重要なカメムシ類の腸内共生細菌については、「共生細菌による昆虫の害虫化の発見」（２００７年６月１３日　産総研プレス発表（http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2007/pr20070613/pr20070613.html））、「害虫に殺虫剤抵抗性を持たせる共生細菌を発見」（２０１２年４月２４日　産総研プレス発表（http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2012/pr20120424/pr20120424.html））、「昆虫と細菌との共生におけるポリエステルの新たな機能」（２０１３年６月１１日　産総研プレス発表（http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2013/pr20130611/pr20130611.html））、「害虫カメムシが共生細菌を体内に取り込む特異な仕組みを解明」（２０１５年９月１日　産総研プレス発表（http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2015/pr20150901/pr20150901.html））などの成果をあげてきた。今回、農業害虫であるチャバネアオカメムシについて、日本列島における腸内共生細菌の多様性を発見し、その形成過程と機構の解明に取り組んだ。
　なお本研究は、独立行政法人　日本学術振興会の科学研究費助成事業・基盤研究（S）の支援を受けておこなった。


■研究の内容
　チャバネアオカメムシ（図１A）の消化管の後部には特殊化した共生器官があり（図１B）、その内部に大腸菌と近縁の共生細菌（ここでは共生細菌Aとよぶ）を保有している（図１C）。この共生細菌は幼虫の成長に不可欠で、母虫は産卵の際に共生細菌入りの分泌物を卵の表面に塗布し、孵化した幼虫がそれを摂取することで共生細菌が垂直感染する（図１D）ことがわかっていた。

　従来は本州のチャバネアオカメムシが研究の対象であったが、今回、日本列島全域から収集した４２集団４４８個体について腸内共生細菌を調べたところ、６種類の異なる腸内共生細菌（ここでは共生細菌A、B、C、D、E、Fとよぶ）が同定された（図１E）。これらのうち、日本本土の集団では共生細菌Aだけが検出されたが、南西諸島の集団では共生細菌Bが高頻度で検出される一方で、共生細菌C、D、E、Fが低頻度で共存していた（図２）。なお、南西諸島の中でも宮古島では、例外的に共生細菌Cが高頻度で検出された。

　※図１・図２は添付の関連資料を参照


　卵表面を滅菌して孵化幼虫への共生細菌の垂直感染を妨げて除去したところ、共生細菌を除去した虫は、ほとんどが幼虫期に死亡し、かろうじて成虫になった個体は矮小で異常な体色を呈していた（図３）。同様の結果が共生細菌A、B、C、D、E、Fに共通して得られ、６種の共生細菌がいずれも幼虫の正常な成長に必須であることがわかった。

　※図３は添付の関連資料を参照


　また、共生器官をすりつぶして培養を試みたところ、共生細菌A、Bはまったく増殖しなかったが、共生細菌C、D、E、Fは容易に培養できた。概要ゲノム配列を決定したところ、共生細菌A、Bのゲノムは共生細菌C、D、E、Fのゲノムに比べて小さく、おそらく共生が進化する過程でゲノム縮小が進んだため宿主体外での増殖が困難になったと考えられる。

　さらに、もともと共生細菌Bに感染していたチャバネアオカメムシの卵表面を滅菌して、孵化した幼虫に培養した共生細菌C、D、E、Fを与えて共生細菌を置き換えたところ（図４A）、もとの共生細菌に感染したものと同等の生育を示した（図４B）。もともと共生細菌Aに感染していたチャバネアオカメムシを用いても同様の結果が得られ、これら６種の共生細菌は宿主の成長に必須な同様の生理機能を担っていると考えられる。

　※図４は添付の関連資料を参照


　共生細菌C、D、E、Fが培養可能であるということは、自然環境中で生存している可能性がある。そこで表面を滅菌した卵から生まれたチャバネアオカメムシの孵化幼虫を、石垣島の生息地から採取した土壌に６日間曝露（図５A）してから、清浄な餌と容器で飼育したところ、計１，００５匹の孵化幼虫の大部分は死亡したが、８５匹が成虫まで到達した。うち１４匹は矮小で異常な体色を呈し、共生細菌を保有しないと考えられたが（図５C）、残りの７１匹は正常な成虫であった（図５B、D−L）。うち過半数は共生細菌C、D、Eのいずれかに感染しており、残りは新規な細菌（仮に環境細菌X１−X６とよぶ）に感染していた（図５B−L）。これらの結果から、環境中にはチャバネアオカメムシの培養可能な共生細菌C、D、Eが存在すること、また多様な環境細菌の中には潜在的にチャバネアオカメムシへの共生能力をもつものが含まれることが明らかになった。

　※図５は添付の関連資料を参照


　南西諸島に分布する多種多様なカメムシ類について調べたところ、チャバネアオカメムシの共生細菌C、D、Eと遺伝子配列レベルで区別がつかない細菌を腸内に保有する種が少なからずいた（図６A−C）。そこで、もともと共生細菌Bに感染していたチャバネアオカメムシの卵表面を滅菌して、孵化幼虫にこれら他種カメムシの共生器官から分離培養した共生細菌C、D、Eを与えて、共生細菌を置き換えたところ、もとの共生細菌Bに感染したものと同等の生育を示した（図６D）。すなわち、環境中に存在する共生細菌C、D、Eはおそらく、チャバネアオカメムシに限らずさまざまなカメムシ類とも共生関係にあり、母虫から幼虫へ垂直感染するだけではなく、時に環境中から獲得されたり、あるいは他種カメムシから水平感染するなど、カメムシ群集と環境細菌群集の間にダイナミックな関係が成立している可能性が考えられる。

　※図６は添付の関連資料を参照


　このように、日本列島ではチャバネアオカメムシの腸内共生細菌叢がダイナミックな進化過程にある。日本本土では、宿主体外では生存できない共生細菌Aがカメムシ集団中に完全に固定しているのに対し、南西諸島ではやはり宿主体外では生存できない共生細菌Bがカメムシ集団中に完全に固定するには至らず、宿主体外でも生存でき、環境細菌のような性質をもち、他種カメムシにも共生できる共生細菌C、D、E、Fも共存している。さらに、カメムシへの共生能力を潜在的にもつさまざまな環境細菌が土壌環境中に存在することもわかった。これらの研究により、現在進行中の共生進化の過程を自然界でとらえることに成功し、共生関係の起源および進化過程の理解が大きく進展した。南西諸島は日本列島でも特筆すべき豊かな生物多様性を擁するが、本研究でその生物多様性のこれまで知られていなかった新しい側面を解明した。


■今後の予定
　今後は、南西諸島における共生細菌の多様性を野外のチャバネアオカメムシ集団で経時的にモニターするとともに、実験室においてさまざまな環境条件で継続飼育した場合の共生関係への影響を調べる実験進化的な研究も推進する。特に、日本本土では１種の共生細菌に固定する一方で、なぜ南西諸島では多様な共生細菌が共存しているのかを解明する。

　さらに、共生細菌間の競争や共存などの相互作用について解析を進め、共生機構の共通性と多様性について理解を深めるとともに、農業害虫であるカメムシ類の新規防除標的として、共生細菌を利用する可能性を検討する。特に温帯気候の日本本土で感染が固定した共生細菌Aと、亜熱帯気候の南西諸島で感染が優占する共生細菌Bは、異なる温度条件や寄主植物への適応に関わっている可能性があり、そのような観点からの研究も展開していく予定である。


■用語の説明
◆共生細菌
　生物の体内に常在的もしくは半常在的に存在する細菌のこと。共生細菌の存在部位は体表面、腸内、体腔内、細胞内などさまざまであるが、特に腸内に存在する共生細菌のことを腸内共生細菌という。
◆チャバネアオカメムシ
　学名Plautia　stali。半翅目カメムシ科に属する。もっとも普通にみられる緑色のカメムシで、日本全国に分布する。さまざまな農作物を吸汁して害をあたえ、特にミカンなど果樹の重要害虫として知られる。

◆垂直感染・水平感染
　細菌などが親から子へと世代を経て感染が受け継がれることを垂直感染といい、そうではなく他の個体や生物から感染する場合を水平感染という。

◆環境獲得
環境中に存在する共生細菌や病原細菌その他の微生物に感染して獲得すること。

◆共生器官
　共生微生物を保有するために特殊化した宿主生物の器官のこと。カメムシの消化管後部には多数の盲嚢が発達し、その内腔に共生細菌を保有する。アブラムシなどで細胞内共生細菌を収容する菌細胞塊、ダイズなどで窒素固定細菌を保有する根粒なども共生器官の例である。

◆微生物叢・細菌叢
　多様な微生物・細菌からなる群集およびその組成のこと。

◆概要ゲノム配列
　ゲノムとは生物の全遺伝子を含むセットのことで、染色体DNAとして細胞内に存在する。ゲノムの全DNA配列を決定する際に、ほとんどの塩基配列は決定されているものの、まだつながっていない部分が多数ある段階のことを概要ゲノム配列という。最終的にはこれら未決定の部分（ギャップという）を決定して完全ゲノム配列の取得をめざすが、概要ゲノム配列の段階でもおよそのゲノムサイズや大部分の遺伝子情報は得られる。

◆ゲノム縮小
　共生細菌においてはしばしば、ゲノムDNAが近縁の自由生活性の細菌よりも著しく小さくなる現象がみられ、これをゲノム縮小という。宿主生物の体内や細胞内といった安定で栄養豊富な環境に恒常的に存在するため、自由生活に必要な機能に関わる遺伝子や宿主が供給してくれる代謝産物などの合成に関わる遺伝子を失っていくこと、また宿主体内にのみ生存し垂直感染で次世代に伝えられることによる集団遺伝学的効果などが原因と考えられている。


■関連記事
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