腸内共生系進化が宿主昆虫に与えるインパクト： 微量メタボローム・ゲノミクスの融合

• 研究課題/領域番号: 17H01510
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 昆虫科学
• 研究機関: 琉球大学
• 研究代表者: 徳田 岳 琉球大学, 熱帯生物圏研究センター, 教授 (90322750)
• 研究分担者: 木原 久美子 熊本高等専門学校, 拠点化プロジェクト系地域協働プロジェクトグループ, 准教授 (50622916) ; 北出 理 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (80302321) ; 福田 真嗣 慶應義塾大学, 政策・メディア研究科(藤沢), 特任教授 (80435677) ; 本郷 裕一 東京工業大学, 生命理工学院, 教授 (90392117)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 36,140千円 (直接経費: 27,800千円、間接経費: 8,340千円); 2021年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2020年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円); 2019年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2018年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2017年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
• キーワード: 昆虫科学 / 寄生・共生 / 木質代謝 / 昆虫 / セルラーゼ / キシラナーゼ / 共生微生物組成

研究成果の概要

本研究では北アメリカとアジアという地理的に大きく隔離されたキゴキブリ個体群を対象に、腸内微生物叢、腸内代謝産物、さらには腸内原生生物間の代謝産物の違いを検討した。その結果、地域集団間において後腸内代謝物量に明らかな差異が認められた。また、コロナ禍によって研究の中断を余儀なくされたため、シロアリを用いた腸内微生物叢の変化と代謝産物量との関係を検討したところ、特定の腸内微生物のみがシロアリが摂食する木材に強く依存していることが示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の学術的意義は、微量代謝物測定とシングルセルゲノムとの情報を統合して、特定の共生微生物が宿主に与える影響を捉えることを狙った点にある。すなわち、本研究では最終代謝産物を定量的にとらえることにより、ゲノム解析において推定される代謝系の機能や代謝フローをより直接的に特徴づけることが可能である。さらに社会的意義として、本研究で期待される微生物代謝系が宿主に与えるインパクトに関する知見は、応用昆虫学のみならず微生物生態学や反芻動物を扱う畜産学などの関連分野にも学術的に大きな波及効果をもたらすことが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
• [国際共同研究] North Carolina State University(米国)
• [国際共同研究] North Carolina State University(米国)
• [国際共同研究] North Carolina State University(米国)
• [国際共同研究] 江原大学校(韓国)
• [国際共同研究] 江原大学校(韓国)
• [国際共同研究] Vanderbilt University(米国)
• [雑誌論文] Molecular phylogeny of Spirotrichonymphea (Parabasalia) with emphasis on Spironympha, Spirotrichonympha, and three new genera Pseudospironympha, Nanospironympha, and Brugerollina (2023)
  • 著者名/発表者名: Noda Satoko、Kitade Osamu、Jasso‐Selles Daniel E.、Taerum Stephen J.、Takayanagi Miki、Radek Renate、Lo Nathan、Ohkuma Moriya、Gile Gillian H.
  • 雑誌名: Journal of Eukaryotic Microbiology 巻: 70 号: 3
  • DOI: 10.1111/jeu.12967
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coevolution of Metabolic Pathways in Blattodea and Their Blattabacterium Endosymbionts, and Comparisons with Other Insect-Bacteria Symbioses (2022)
  • 著者名/発表者名: Kinjo Yukihiro、Bourguignon Thomas、Hongoh Yuichi、Lo Nathan、Tokuda Gaku、Ohkuma Moriya
  • 雑誌名: Microbiology Spectrum 巻: 10 号: 5 ページ: 02779-22
  • DOI: 10.1128/spectrum.02779-22
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The functional evolution of termite gut microbiota (2022)
  • 著者名/発表者名: Arora Jigyasa、Kinjo Yukihiro、Sobotnik Jan、Bucek Ales、Clitheroe Crystal、Stiblik Petr、Roisin Yves、Zifcakova Lucia、Park Yung Chul、Kim Ki Yoon、Sillam-Dusses David、Herve Vincent、Lo Nathan、Tokuda Gaku、Brune Andreas、Bourguignon Thomas
  • 雑誌名: Microbiome 巻: 10 号: 1 ページ: 78-78
  • DOI: 10.1186/s40168-022-01258-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Vicariance and dispersal events inferred from mitochondrial genomes and nuclear genes (18S, 28S) shaped global Cryptocercus distributions (2022)
  • 著者名/発表者名: Che Yanli、Deng Wenbo、Li Weijun、Zhang Jiawei、Kinjo Yukihiro、Tokuda Gaku、Bourguignon Thomas、Lo Nathan、Wang Zongqing
  • 雑誌名: Molecular Phylogenetics and Evolution 巻: 166 ページ: 107318-107318
  • DOI: 10.1016/j.ympev.2021.107318
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Genomic and transcriptomic analyses of the subterranean termite <i>Reticulitermes speratus</i> : Gene duplication facilitates social evolution (2022)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Shuji、Hayashi Yoshinobu、Watanabe Dai、Tokuda Gaku、Hojo Masaru Y. et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 号: 3 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1073/pnas.2110361119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fine‐scale genetic diversity and putative ecotypes of oxymonad protists coinhabiting the hindgut of Reticulitermes speratus (2021)
  • 著者名/発表者名: Igai Katsura、Kitade Osamu、Fu Jieyang、Omata Kazumi、Yonezawa Takahiro、Ohkuma Moriya、Hongoh Yuichi
  • 雑誌名: Molecular Ecology 巻: 31 号: 4 ページ: 1317-1331
  • DOI: 10.1111/mec.16309
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced Mutation Rate, Relaxed Selection, and the “Domino Effect” are associated with Gene Loss in Blattabacterium, A Cockroach Endosymbiont (2021)
  • 著者名/発表者名: Kinjo Yukihiro、Lo Nathan、Martin Paula Villa、Tokuda Gaku、Pigolotti Simone、Bourguignon Thomas
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution 巻: 38 号: 9 ページ: 3820-3831
  • DOI: 10.1093/molbev/msab159
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Origin of symbiotic gut spirochetes as key players in the nutrition of termites (2021)
  • 著者名/発表者名: Tokuda Gaku
  • 雑誌名: Environmental Microbiology 巻: 23 号: 8 ページ: 4092-4097
  • DOI: 10.1111/1462-2920.15625
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Increased Mutation Rate Is Linked to Genome Reduction in Prokaryotes (2020)
  • 著者名/発表者名: Bourguignon Thomas、Kinjo Yukihiro、Villa-Martin Paula、Coleman Nicholas V.、Tang Qian、Arab Daej A.、Wang Zongqing、Tokuda Gaku、Hongoh Yuichi、Ohkuma Moriya、Ho Simon Y.W.、Pigolotti Simone、Lo Nathan
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 30 号: 19 ページ: 3848-3855.e4
  • DOI: 10.1016/j.cub.2020.07.034
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Parallel reductive genome evolution in Desulfovibrio ectosymbionts independently acquired by Trichonympha protists in the termite gut (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Mariko、Kuwahara Hirokazu、Murakami Takumi、Takahashi Kazuki、Kajitani Rei、Toyoda Atsushi、Itoh Takehiko、Ohkuma Moriya、Hongoh Yuichi
  • 雑誌名: The ISME Journal 巻: 14 号: 9 ページ: 2288-2301
  • DOI: 10.1038/s41396-020-0688-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of CBM36-containing GH11 endoxylanase NtSymX11 from the hindgut metagenome of higher termite Nasutitermes takasagoensis displaying prominent catalytic activity. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kitamoto, M., Tokuda, G., Watanabe, H., and Arioka, M.
  • 雑誌名: Carbohydr. Res. 巻: 474 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.carres.2019.01.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Duplication and soldier-specific expression of geranylgeranyl diphosphate synthase genes in a nasute termite Nasutitermes takasagoensis (2019)
  • 著者名/発表者名: Hojo Masaru、Shigenobu Shuji、Maekawa Kiyoto、Miura Toru、Tokuda Gaku
  • 雑誌名: Insect Biochemistry and Molecular Biology 巻: 111 ページ: 103177-103177
  • DOI: 10.1016/j.ibmb.2019.103177
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plant cell wall degradation in insects: Recent progress on endogenous enzymes revealed by multi-omics technologies (2019)
  • 著者名/発表者名: Tokuda Gaku
  • 雑誌名: Advances in Insect Physiology 巻: 57 ページ: 97-136
  • DOI: 10.1016/bs.aiip.2019.08.001
  • ISBN: 9780128186602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Parallel and Gradual Genome Erosion in the Blattabacterium Endosymbionts of Mastotermes darwiniensis and Cryptocercus Wood Roaches (2018)
  • 著者名/発表者名: Kinjo Yukihiro、Bourguignon Thomas、Tong Kwei Jun、Kuwahara Hirokazu、Lim Sang Jin、Yoon Kwang Bae、Shigenobu Shuji、Park Yung Chul、Nalepa Christine A、Hongoh Yuichi、Ohkuma Moriya、Lo Nathan、Tokuda Gaku
  • 雑誌名: Genome Biology and Evolution 巻: 10 号: 6 ページ: 1622-1630
  • DOI: 10.1093/gbe/evy110
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fiber-associated spirochetes are major agents of hemicellulose degradation in the hindgut of wood-feeding higher termites (2018)
  • 著者名/発表者名: Tokuda Gaku、Mikaelyan Aram、Fukui Chiho、Matsuura Yu、Watanabe Hirofumi、Fujishima Masahiro、Brune Andreas
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 115 号: 51
  • DOI: 10.1073/pnas.1810550115
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] シロアリ消化システムの変遷 (2017)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳
  • 雑誌名: 生物科学 巻: 68（3） ページ: 142-153
  • 査読あり
• [雑誌論文] シロアリ社会性の発達と木質消化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳
  • 雑誌名: 昆虫と自然 巻: 52（7） ページ: 38-40
• [学会発表] スギオシロアリにおける後腸内微生物群集の実験的改変と腸内代謝物の変化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳・関根麗子・福田真嗣
  • 学会等名: 日本微生物生態学会第35回大会
• [学会発表] Relationship between microbial structure and metabolic activities in the termite, Neotermes sugioi (2022)
  • 著者名/発表者名: Gaku Tokuda
  • 学会等名: 19th Congress of the International Union for the Study of Social Insects
  • 国際学会
• [学会発表] Metabolomic profiles in the hindguts of the wood-feeding cockroaches collected from East Asia and North America (2022)
  • 著者名/発表者名: Tokuda, G., Kihara, K., Kitade, O., Fukuda, S.
  • 学会等名: XXVI International Congress of Entomology
  • 国際学会
• [学会発表] キゴキブリ腸内原生生物に共生する細菌の群集構造及び局在の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 丸岡 直弥, 猪飼桂, 工藤 凜平, 小野内 思有, 桑原 宏和, 大熊 盛也, 本郷 裕一
  • 学会等名: 日本微生物生態学会第35回大会
• [学会発表] シロアリ後腸内微生物叢の実験的改変と後腸内生理活性の変化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳・関根麗子
  • 学会等名: 第66回日本応用動物昆虫学会大会
• [学会発表] The functional evolution of termite gut microbiota (2021)
  • 著者名/発表者名: Bourguignon, T., Arora, J., Kinjo, Y., Sobotonik, J., Bucek, A., Stiblik, P., Roisin, Y., Zifcakova, L., Park, Y. C., Kim, K. Y., Sillam-Dusses, D., Herve, V., Lo, N., Tokuda, G., Brune, A.
  • 学会等名: 日本微生物生態学会第34回大会
• [学会発表] 下等シロアリの腸内微生物改変の試み (2021)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳・関根麗子
  • 学会等名: 第65回日本応用動物昆虫学会大会
• [学会発表] シロアリの木材消化における宿主と腸内微生物の役割分担 (2021)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳
  • 学会等名: 第２回オンライン基礎昆虫学会議
  • 招待講演
• [学会発表] キゴキブリ共生原生生物の機能理解に向けたメタボローム解析の試み (2020)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳・木原久美子・北出 理・福田真嗣
  • 学会等名: 令和２年度蚕糸・昆虫機能利用学術講演会
• [学会発表] タカサゴシロアリ後腸内の木片に付着したバクテリア群集間における木質分解酵素遺伝子の差異 (2020)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳
  • 学会等名: 第64回日本応用動物昆虫学会大会
• [学会発表] シロアリと腸内微生物による木材消化の仕組み (2019)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳
  • 学会等名: 日本土壌動物学会第42回大会
  • 招待講演
• [学会発表] A division of labor between termites and the gut symbionts for lignocellulose degradation (2019)
  • 著者名/発表者名: Gaku Tokuda
  • 学会等名: OIST Mini Symposium “Ecology and Evolution of Termite Gut Microbes”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 地域集団間におけるキゴキブリ腸内代謝物量の予備的検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳・木原久美子・福田真嗣
  • 学会等名: 第63回日本応用動物昆虫学会大会
• [学会発表] Sprirochaetes contribute to xylan degradation in the hindgut of wood-feeding higher termites (2018)
  • 著者名/発表者名: Tokuda, G., Mikaelyan, A., Fukui, C., Matsuura, Y., Watanabe, H., Fujishima, M., Brune, A.
  • 学会等名: The 17th International Symposium on Microbial Ecology
  • 国際学会
• [学会発表] Transition of symbiotic lifestyles by gene loss or gain: Blattabacterium in cockroaches-lower termites and spirochetes in higher termites (2018)
  • 著者名/発表者名: Tokuda, G.
  • 学会等名: Max Planck Institute Seminar Series in Molecular, Cellular, and Environmental Microbiology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シロアリと腸内微生物による木材の消化と共生 (2018)
  • 著者名/発表者名: 徳田 岳
  • 学会等名: 日本微生物生態学会第３２回大会
  • 招待講演
• [学会発表] 韓国産キゴキブリCryptocercus kyebangensisの共生原生生物組成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 北出 理・Yung Chul Park・徳田 岳
  • 学会等名: 日本生態学会第65回大会
• [学会発表] ムカシシロアリおよびキゴキブリの細胞内共生細菌ゲノムの平行退縮進化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 金城幸宏・Thomas Bourguignon・本郷裕一・Nathan Lo・徳田 岳
  • 学会等名: 平成30年度 蚕糸・昆虫機能利用学術講演会