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2015 年度 実績報告書

昆虫―大腸菌人工共生系による共生進化および分子機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 25221107
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

深津 武馬  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生物プロセス研究部門, 首席研究員 (00357881)

研究分担者 二河 成男  放送大学, 教養学部, 教授 (70364916)
古賀 隆一  国立研究開発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 (80356972)
細川 貴弘  九州大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (80722206)
研究期間 (年度) 2013-05-31 – 2018-03-31
キーワード昆虫 / 共生 / 大腸菌 / 分子機構 / 実験進化
研究実績の概要

【6種共生細菌のゲノム解析】培養できないBは単離中腸から、培養できるC, D, E, Fの完全ゲノム配列を決定した。培養できない共生細菌A(4.5 Mb)についても完全決定直前の状況である。
【フォスミドライブラリースクリーニング】 これまでに105,167個の卵由来の10,623頭の成虫をスクリーニングし、共生細菌Cについてゲノムの91.7%(染色体は90%、プラスミド1は95%、プラスミド2は100%)をカバーする366クローンの1次スクリーニングを完了し、15の候補クローンを選抜した。うち4クローンは互いに大きくオーバーラップしており、約13 kbの共通領域およびその近傍の11遺伝子が候補として浮上した。うち5遺伝子は、予備的に行った共生細菌Dゲノムライブラリーのスクリーニングでも相同領域が良好なパフォーマンスを示した。
【大腸菌人工共生進化実験】人工的に大腸菌に感染させたチャバネアオカメムシを継続的に累代飼育することで、共生関係の安定化や適応度の上昇をモニターした。限定された研究期間中に進化的な変化が観測できるよう、DNAミスマッチ修復酵素遺伝子mutS欠損大腸菌系統を作成し、この高速進化大腸菌系統mutSを感染させた宿主を累代飼育した。特筆すべきことに、すでにいくつかの系統が不安定ながら最高で80%を超える非常に高い羽化率を示しはじめた(大腸菌感染虫の羽化率は通常10%程度かそれ以下)。さらに、それらの大腸菌系統のコロニーは小型で隆起しており、もとの系統の扁平なコロニーとは明らかに異なっていた。
【その他】チャバネアオカメムシと他種カメムシ類の間の共生細菌の生態的共有の発見、チャバネアオカメムシおよび近縁種における雌特異的な中腸共生器官の特殊化の発見、ヒメナガカメムシにおける菌細胞共生細菌の同定及び発生過程の解明など。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題は順調に進展しており、ほぼ予定通りの成果が見込まれる状況にある。
【6種共生細菌のゲノム解析】すでに共生細菌B-Fの全ゲノム配列は決定済みである。共生細菌Aは培養不可能なこと、偽遺伝子が多いことなどから少し時間がかかったが、概要ゲノム配列は決定済みで、すでにフィニッシングの段階にある。
【フォスミドライブラリースクリーニング】共生細菌Cについてはほぼ全ゲノム領域をカバーするスクリーニングが完了し、共生関連遺伝子を含む可能性が高い複数のゲノム領域を同定した。共生細菌Dについても同様のスクリーニングが順調に進捗中である。最終年度までに共生細菌Eについてもスクリーニングを進める予定である。
【大腸菌人工共生進化実験】高速進化大腸菌系統ΔmutSを感染させた宿主カメムシを累代飼育していくうちに、すでにいくつかの系統が不安定ながら最高で80%を超える非常に高い羽化率を示すようになり(大腸菌感染虫の羽化率は通常10%程度かそれ以下)、さらに、それらの大腸菌系統のコロニーは小型で隆起しており、もとの系統の扁平なコロニーとは形態的に明らかに変化していた。大変に興味深い結果である。

今後の研究の推進方策

【6種共生細菌のゲノム解析】28年度中に共生細菌Aのゲノム配列も完全決定し、それらの比較解析により同じ宿主に共生能力を有する異なる共生細菌のゲノムのどこが共通でどれだけ異なるのかを生物情報学的に解析する。
【フォスミドライブラリースクリーニング】共生細菌Cと同様に、共生細菌Dについても28年度中にスクリーニングを完了させ、共生細菌Eについてもスクリーニングを開始し、最終年度までに完了させる。もって最終年度までに培養できる主要な共生細菌C, D, Eについて、共生関連遺伝子を含む複数のゲノム領域を網羅的に同定する。
【共生関連遺伝子の同定および機能解析】すでに共生細菌Cにおいて、共生関連遺伝子候補の同定および機能解析が進行中である。28年度以降は共生細菌Cに加えてD, Eにおいても同様の解析を進め、最終年度までに複数の共生細菌ゲノム上にコードされる共生関連遺伝子群およびそれらの機能を解明する。
【大腸菌人工共生進化実験】すでに高速進化大腸菌系統ΔmutSを感染させた宿主カメムシの継代飼育過程で、いくつかの系統が不安定ながら最高で80%を超える非常に高い羽化率を示すようになり(大腸菌感染虫の羽化率は通常10%程度かそれ以下)、それらに感染する大腸菌系統のコロニーに形態的な変化がみられている。平成28年度以降も同様に継代飼育を継続するとともに、ゲノムのリシーケンシングによるこれら大腸菌変異株におけるゲノム変異の同定、RNAseqによる遺伝子発現変化の解析、ゲノム変異と遺伝子発現変化の相関解析や、候補原因遺伝子の破壊実験等をおこない、共生進化過程の詳細な記載およびゲノムレベルの進化基盤を解明する。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 4件、 招待講演 8件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Obligate bacterial mutualists evolving from environmental bacteria in natural insect populations2016

    • 著者名/発表者名
      Hosokawa T., Ishii Y., Nikoh N., Fujie M., Satoh N., Fukatsu T.
    • 雑誌名

      Nature Microbiology

      巻: 1 ページ: 15011

    • DOI

      10.1038/nmicrobiol.2015.11

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Riboflavin provisioning underlies Wolbachia's fitness contribution to its insect host2015

    • 著者名/発表者名
      Moriyama M., Nikoh N., Hosokawa T., Fukatsu T.
    • 雑誌名

      mBio

      巻: 6 ページ: e01732-15

    • DOI

      10.1128/mBio.01732-15

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Ultrabithorax is essential for bacteriocyte development2015

    • 著者名/発表者名
      Matsuura Y., Kikuchi Y., Miura T., Fukatsu T.
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of Americ

      巻: 112 ページ: 9376-9381

    • DOI

      10.1073/pnas.1503371112

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 昆虫-大腸菌人工共生系を利用した必須相利共生に必要な因子の探索2016

    • 著者名/発表者名
      古賀隆一、西出雄大、小野寺(谷藤)直子、深津武馬
    • 学会等名
      日本昆虫学会第76回大会・第60回日本応用動物昆虫学会大会合同大会
    • 発表場所
      大阪府立大学(大阪府堺市)
    • 年月日
      2016-03-29
  • [学会発表] チャバネアオカメムシ地域集団における共生細菌との共進化2016

    • 著者名/発表者名
      西出雄大、古賀隆一、深津武馬
    • 学会等名
      日本昆虫学会第76回大会・第60回日本応用動物昆虫学会大会合同大会
    • 発表場所
      大阪府立大学(大阪府堺市)
    • 年月日
      2016-03-29
  • [学会発表] ペプチドマッピング法によるチャバネアオカメムシ共生器官発現遺伝子の同定2016

    • 著者名/発表者名
      林俊成、森山実、古賀隆一、深津武馬
    • 学会等名
      日本昆虫学会第76回大会・第60回日本応用動物昆虫学会大会合同大会
    • 発表場所
      大阪府立大学(大阪府堺市)
    • 年月日
      2016-03-29
  • [学会発表] ヒメナガカメムシ菌細胞の形成に関わる遺伝子群の探索2016

    • 著者名/発表者名
      松浦優、小川浩太、松波雅俊、菊池義智、重信秀治、深津武馬、三浦徹
    • 学会等名
      日本昆虫学会第76回大会・第60回日本応用動物昆虫学会大会合同大会
    • 発表場所
      大阪府立大学(大阪府堺市)
    • 年月日
      2016-03-29
  • [学会発表] チャバネアオカメムシの休眠色を誘導する分子生理機構2016

    • 著者名/発表者名
      森山実、二橋亮、深津武馬
    • 学会等名
      日本昆虫学会第76回大会・第60回日本応用動物昆虫学会大会合同大会
    • 発表場所
      大阪府立大学(大阪府堺市)
    • 年月日
      2016-03-28
  • [学会発表] 昆虫と微生物の共生進化2015

    • 著者名/発表者名
      深津武馬
    • 学会等名
      山口大学微生物研究推進体第7回研究成果発表会
    • 発表場所
      山口大学常盤キャンパス(山口県宇部市)
    • 年月日
      2015-12-25
    • 招待講演
  • [学会発表] 共生進化がもたらす昆虫類の多様性2015

    • 著者名/発表者名
      深津武馬
    • 学会等名
      第25回植物微生物研究交流会
    • 発表場所
      つくば国際会議場(茨城県つくば市)
    • 年月日
      2015-09-15
    • 招待講演
  • [学会発表] 昆虫―大腸菌人工共生系2015

    • 著者名/発表者名
      古賀隆一
    • 学会等名
      第17回日本進化学会大会
    • 発表場所
      中央大学(東京都文京区)
    • 年月日
      2015-08-21
    • 招待講演
  • [学会発表] 南西諸島のカメムシ類における必須共生細菌の種内多型はどのようにして生じたか2015

    • 著者名/発表者名
      細川貴弘、石井佳子、深津武馬
    • 学会等名
      第17回日本進化学会大会
    • 発表場所
      中央大学(東京都文京区)
    • 年月日
      2015-08-20
  • [学会発表] Symbiosis underpinning ecological adaptations in insects2015

    • 著者名/発表者名
      Fukatsu T.
    • 学会等名
      Gordon Research Conference “Ecological & Evolutionary Genomics”
    • 発表場所
      Univ. New England, Biddeford, ME, USA
    • 年月日
      2015-07-16
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Artificial evolution of gut symbiosis between insects and Escherichia coli2015

    • 著者名/発表者名
      Koga R.
    • 学会等名
      Gordon Research Conference “Applied & Environmental Microbiology”
    • 発表場所
      Mount Holyoke College, MA, USA
    • 年月日
      2015-07-14
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Host insect factors involved in microbial symbiosis2015

    • 著者名/発表者名
      Fukatsu T.
    • 学会等名
      Gordon Research Conference “Animal-Microbe Symbioses”
    • 発表場所
      Waterville Valley Resort, NH, USA
    • 年月日
      2015-06-22
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 共生進化がもたらす昆虫類の多様性2015

    • 著者名/発表者名
      深津武馬
    • 学会等名
      昆虫共生酵母研究会シンポジウム「生物の共生進化を考える」
    • 発表場所
      島根大学(島根県松江市)
    • 年月日
      2015-06-01
    • 招待講演
  • [学会発表] Host’s secretion protein essential for vertical symbiont transmission2015

    • 著者名/発表者名
      Koga R.
    • 学会等名
      International Meeting of MSK
    • 発表場所
      Changwon, Korea
    • 年月日
      2015-04-14
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 昆虫―大腸菌人工共生系による 共生進化および分子機構の解明

    • URL

      https://staff.aist.go.jp/t-fukatsu/KBNSHome.html

  • [備考] 産業技術総合研究所 生物プロセス研究部門 生物共生進化機構研究グループ

    • URL

      http://staff.aist.go.jp/t-fukatsu/

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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