共生成立の分子基盤を解く：昆虫－細菌共生系における大規模ＲＮＡｉスクリーニング

• Project Area: "Matryoshka"-type evolution of eukaryotes
• Project/Area Number: 24117525
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 菊池 義智 独立行政法人産業技術総合研究所, 生物プロセス研究部門, 主任研究員 (30571864)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2013: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2012: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 共生 / 昆虫 / 細菌 / RNAi

Research Abstract

多くの生物がその体内に共生微生物を持つことが知られているが、それら内部共生の分子基盤については未だ不明な点が多い。本研究ではホソヘリカメムシ-Burkholderiaモデル共生系を対象に、共生器官の大規模トランスクリプトーム解析およびRNAiスクリーニングを行い、共生成立に関わる宿主昆虫側の遺伝子基盤を網羅的に同定することを目的としている。研究２年目にあたる本年度は、（１）共生細菌のGFP発現変異株を用いた感染過程の詳細なステージング、（２）共生細菌の感染にともなって発現変化する遺伝子のRNAseqによる網羅的解明、（３）in situ hybridizationによるシステインリッチタンパク質（CRs）の発現部位の特定、（４）CRsのRNAiを行った。（１）については共生細菌のGFP発現変異株を作成し、2齢若虫に経口摂取してその感染過程を詳細に観察した。その結果、共生細菌が共生器官（の原基）に感染した直後から共生器官の形態変化が起き、２齢期間中（約3日）のうちに共生器官の成熟が完了することが明らかとなった。（２）ではRNAseqで得られた約46,000遺伝子について解析を行い、共生器官の形態変化過程で発現亢進する遺伝子を探索した。その結果、多数のCRsや転写調節因子を同定することに成功した。（３）では、特に発現量が高かったCRsを対象にin situ hybridizationを行い、その発現が共生器官のみに限られることを明らかにした。（４）では発現量の高いCRsについてRNAiを行ったが、共生細菌の定着や維持に関して有意な影響を見出すことはできなかった。CRsが100種類以上検出されていることから、１種類をノックダウンしただけでは効果が相殺されてしまう可能性が考えられる。複数の遺伝子を同時にRNAiを行うなど、今後さらなる検討が必要といえる。本研究によって得られた成果について国内外の学会において発表を行い、また論文として発表を行った。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Molting-associated suppression of symbiont population and up-regulation of antimicrobial activity in the midgut symbiotic organ of the Riptortus–Burkholderia symbiosis (2014)
  • Author(s): Jiyeun Kate Kim, Sang Heum Han, Chan-Hee Kim, Yong Hun Jo, Ryo Futahashi, Yoshitomo Kikuchi, Takema Fukatsu, Bok Luel Lee
  • Journal Title: Developmental & Comparative Immunology Volume: 43 Issue: 1 Pages: 10-14
  • DOI: 10.1016/j.dci.2013.10.010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Live imaging of symbiosis: spatiotemporal infection dynamics of a GFP‐labelled Burkholderia symbiont in the bean bug Riptortus pedestris (2014)
  • Author(s): Yoshitomo Kikuchi, Takema Fukatsu
  • Journal Title: Molecular ecology Volume: 23 Issue: 6 Pages: 1445-1456
  • DOI: 10.1111/mec.12479
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Purine biosynthesis-deficient Burkholderia mutants are incapable of symbiotic accommodation in the stinkbug (2014)
  • Author(s): Jiyeun Kate Kim, Ho Am Jang, Yeo Jin Won, Yoshitomo Kikuchi, Sang Heum Han, Chan-Hee Kim, Naruo Nikoh, Takema Fukatsu, Bok Luel Lee
  • Journal Title: The ISME journal Volume: 8 Issue: 3 Pages: 552-563
  • DOI: 10.1038/ismej.2013.168
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Specific Midgut Region Controlling the Symbiont Population in an Insect-Microbe Gut Symbiotic Association (2013)
  • Author(s): Jiyeun Kate Kim, Na Hyang Kim, Ho Am Jang, Yoshitomo Kikuchi, Chan-Hee Kim, Takema Fukatsu, Bok Luel Lee
  • Journal Title: Applied and environmental microbiology Volume: 79 Issue: 23 Pages: 7229-7233
  • DOI: 10.1128/aem.02152-13
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Complete genome sequence of Burkholderia sp. strain RPE64, bacterial symbiont of the bean bug Riptortus pedestris (2013)
  • Author(s): Shibata T., Maeda T., Nikoh N., Yamaguchi K., Oshima K., Hattori M., Nishiyama T., Hasebe M., Fukatsu T., Kikuchi Y., Shigenobu S.
  • Journal Title: Genome Announcements Volume: 1(4) Issue: 4
  • DOI: 10.1128/genomea.00441-13
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gene expression in gut symbiotic organ of stinkbug affected by extracellular bacterial symbiont (2013)
  • Author(s): Ryo Futahashi, Kohjiro Tanaka, Masahiko Tanahashi, Naruo Nikoh, Yoshitomo Kikuchi, Bok Luel Lee, Takema Fukatsu
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 8 Issue: 5 Pages: e64557-e64557
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0064557
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bacterial cell wall synthesis gene uppP is required for Burkholderia colonization of the stinkbug gut (2013)
  • Author(s): Jiyeun Kate Kim, Ho Jin Lee, Yoshitomo Kikuchi, Wataru Kitagawa, Naruo Nikoh, Takema Fukatsu, Bok Luel Lee
  • Journal Title: Applied and environmental microbiology Volume: 76 Issue: 16 Pages: 4879-4886
  • DOI: 10.1128/aem.01269-13
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polyester synthesis genes associated with stress resistance are involved in an insect–bacterium symbiosis (2013)
  • Author(s): Jiyeun Kate Kim, Yeo Jin Won, Naruo Nikoh, Hiroshi Nakayama, Sang Heum Han, Yoshitomo Kikuchi, Young Ha Rhee, Ha Young Park, Jeong Yun Kwon, Kenji Kurokawa, Naoshi Dohmae, Takema Fukatsu, Bok Luel Lee
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A. Volume: 110 Issue: 26
  • DOI: 10.1073/pnas.1303228110
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficient colonization of the bean bug Riptortus pedestris by an environmentally transmitted Burkholderiasymbiont (2013)
  • Author(s): Kikuchi, Y., et al.
  • Journal Title: Applied and Environmental Microbiology Volume: 79 Issue: 6 Pages: 2088-2091
  • DOI: 10.1128/aem.03299-12
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polyphyly of gut symbionts in stinkbugs of the family Cydnidae (2012)
  • Author(s): Takahiro Hosokawa
  • Journal Title: Applied and Environmental Microbiology Volume: 78 Issue: 13 Pages: 4758-4761
  • DOI: 10.1128/aem.00867-12
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel clade of alphaproteobacterial endosymbionts associated with stink bugs and other arthropods. (2012)
  • Author(s): Matsuura Y., Kikuchi Y., Meng X. Y., Koga R., Fukatsu T.
  • Journal Title: Applied and Environmental Microbiology Volume: 78 Issue: 12 Pages: 4149-4156
  • DOI: 10.1128/aem.00673-12
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Symbiont-mediated insecticide resistance (2011)
  • Author(s): Kikuchi, Y., et al.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 109 Issue: 22 Pages: 8618-8622
  • DOI: 10.1073/pnas.1200231109
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ホソヘリカメムシ共生器官特異的に発現するシステインリッチタンパク質の発見 (2014)
  • Author(s): 大林翼、二橋亮、鎌形洋一、深津武馬、菊池義智
  • Organizer: 第５８回日本応用動物昆虫学会大会
  • Place of Presentation: 高知大学
• [Presentation] ホソヘリカメムシ‐Burkholderia共生系における共生因子の探索 (2014)
  • Author(s): 竹下和貴、二河成男、柴田朋子、前田太郎、西山智明、長谷部光泰、 深津武馬、重信秀治、菊池義智
  • Organizer: 第５８回日本応用動物昆虫学会大会
  • Place of Presentation: 高知大学
• [Presentation] ホソヘリカメムシ‐Burkholderia共生系の成立における糖鎖の役割 (2014)
  • Author(s): 西郁美、仲山賢一、鎌形洋一、菊池義智
  • Organizer: 第５８回日本応用動物昆虫学会大会
  • Place of Presentation: 高知大学
• [Presentation] 共生細菌の感染がホソへリカメムシ消化管の形態変化を引き起こす (2013)
  • Author(s): 菊池義智
  • Organizer: 第57回日本応用動物昆虫学会大会
  • Place of Presentation: 日本大学生物資源科学部（神奈川）
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] 泳げ、Burkholderia!～ホソヘリカメムシ共生細菌は鞭毛を使って共生器官に辿り着く～ (2013)
  • Author(s): 大林翼
  • Organizer: 第57回日本応用動物昆虫学会大会
  • Place of Presentation: 日本大学生物資源科学部（神奈川）
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] カンシャコバネナガカメムシにおける内部共生系のキャラクタリーゼーション (2013)
  • Author(s): 会田学
  • Organizer: 第57回日本応用動物昆虫学会大会
  • Place of Presentation: 日本大学生物資源科学部（神奈川）
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] Evolutionary innovation through endosymbiosis (2013)
  • Author(s): 菊池義智
  • Organizer: International Symposium on Molecular and Phenotype Evolution
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Invited
• [Presentation] 昆虫－微生物共生系における分子基盤の解明に向けて (2013)
  • Author(s): 菊池義智
  • Organizer: 第29回日本微生物生態学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
• [Presentation] ホソヘリカメムシにおけるBurkholderia共生細菌の特異的感染機構の解明 (2013)
  • Author(s): 大林翼、北川航、孟憲英、二河成男、田中みち子、鎌形洋一、深津武馬、菊池義智
  • Organizer: 第29回日本微生物生態学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
• [Presentation] ホソヘリカメムシ共生細菌Burkholderia sp. RPE64株の比較ゲノム解析 (2013)
  • Author(s): 竹下和貴、二河成男、柴田朋子、前田太郎、西山智明、重信秀治、長谷部光泰、深津武馬、菊池義智
  • Organizer: 第29回日本微生物生態学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
• [Presentation] 害虫に農薬抵抗性を賦与する共生細菌の発見 (2013)
  • Author(s): 菊池義智
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会大会
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド
  • Invited
• [Presentation] 共生細菌の鞭毛運動性がホソヘリカメムシ腸内への特異的感染に果たす役割 (2013)
  • Author(s): 大林翼
  • Organizer: 2012年度日本応用動物昆虫学会・日本昆虫学会共催北海道支部大会
  • Place of Presentation: 北海道大学総合博物館
• [Presentation] Bacterial flagellar motility plays a pivotal role in an insect-microbe gut symbiosis (2012)
  • Author(s): Tsubasa Ohbayashi
  • Organizer: 14th International Symposium on Microbial Ecology
  • Place of Presentation: Copenhagen（Denmark）
  • Year and Date: 2012-08-19
• [Presentation] Establishment of artificial symbiotic system between Escherichia coli and an insect (2012)
  • Author(s): Yoshiko Ishii
  • Organizer: 14th International Symposium on Microbial Ecology
  • Place of Presentation: Copenhagen（Denmark）
  • Year and Date: 2012-08-19
• [Presentation] Insecticide resistance by endosymbiotic bacteria (2012)
  • Author(s): Yoshitomo Kikuchi
  • Organizer: 7th International Symbiosis Society Congress
  • Place of Presentation: Auditorium Maximum of the Jagiellonian University (Krakow, Poland)
• [Presentation] Insecticide resistance governed by endosymbiontic bacteria (2012)
  • Author(s): Yoshitomo Kikuchi
  • Organizer: XXIV International Congress of Entomology
  • Place of Presentation: Exco-Daegu Convention Center, Daegu (Korea)
• [Presentation] Symbiotic gut bacteria confer insecticide resistance (2012)
  • Author(s): Yoshitomo Kikuchi
  • Organizer: 第28回日本微生物生態学会大会
  • Place of Presentation: 豊橋技術大学（愛知）
• [Remarks] 環境生物機能開発研究グループ
  • URL: http://unit.aist.go.jp/bpri/bpri-env/