Evolvability and mechanism of insect-microbe association

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Evolutionary theory for constrained and directional diversities
• Project/Area Number: 17H06388
• 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: Fukatsu Takema 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 首席研究員 (00357881)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 古賀 隆一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 研究グループ長 (80356972) ; 重信 秀治 基礎生物学研究所, 新規モデル生物開発センター, 教授 (30399555) ; 細川 貴弘 九州大学, 理学研究院, 助教 (80722206) ; 二河 成男 放送大学, 教養学部, 教授 (70364916) ; 西出 雄大 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 生物機能利用研究部門, 主任研究員 (50558096) ; 松浦 優 琉球大学, 熱帯生物圏研究センター, 助教 (80723824)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Keywords: 共生 / 微生物 / 昆虫 / 進化可能性

Outline of Final Research Achievements

How sophisticated symbiotic associations have been established is an unresolved question in understanding the evolution of symbiosis. Here we investigated the midgut symbiotic organ and the gut symbiotic bacteria of the stinkbug Plautia stali as a model system. In natural populations of P. stali and their habitats, we extensively surveyed, identified and characterized “uncultivable obligatory symbiotic bacteria”, “cultivable obligatory symbiotic bacteria”, “cultivable free-living symbiotic bacteria” and “environmental potential symbiotic bacteria”, which are at different levels of symbiotic evolution. We also surveyed diverse stinkbugs and other insects for their microbial symbiotic systems. By comparing and analyzing them using a variety of techniques, we gained insight into the conditions, possibilities, drivers, and constraints for establishment and maintenance of symbiosis, shedding new light on the origin, processes, and mechanisms underpinning the evolution of symbiosis.

Free Research Field

進化生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、宿主昆虫の自然集団において、自由生活性細菌から培養可能共生細菌、そして難培養性共生細菌に至る共生進化の各段階を同定することに成功した。さらにその過程において、反復配列増幅、ゲノム構造の不安定化（逆位、欠失等の頻発）、ゲノム縮小、反復配列減少、ゲノム構造の最安定化が起こることを、大規模な共生細菌比較ゲノムデータにより示した。共生器官の詳細な形成過程、共生細菌感染に対する反応、共生特異性を規定する発生段階および組織部位などについても重要な新知見を得ており、共生細菌側のみならず宿主昆虫側においても、共生関係の成立および維持に関わる細胞・分子レベルの機構の理解に道筋をつけることができた。