후카츠 다케마(주임 선임 연구원 겸 바카라 규칙 진화 및 생물학적 기능 연구 그룹 리더), 호소카와 다카히로(전 AIST 박사후 연구원, 현 규슈대학교 조교수) 및 국립산업기술종합연구소 생물생산 연구소(BPRI, 소장: 타무라 토모히로) 회원 (AIST, 회장: 추바치 료지)는 일본 방송대학, 류큐 대학, 오키나와 과학 기술 대학원 대학과 공동으로 갈색 날개 녹색 노린재의 장내 바카라 규칙 박테리아를 발견했습니다플라우티아 스탈리는 놀라운 지리적 변화를 나타냅니다 홋카이도, 혼슈, 시코쿠, 큐슈(일본 본토)의 모든 개체군은 특정 바카라 규칙종을 갖고 있는 반면, 일본 남서부 섬의 개체군은 여러 바카라 규칙종과 동일하게 연관되어 있습니다
노린재 개체군에 대한 심층 분석을 통해 서로 다른 진화 단계의 다양한 공생 박테리아가 남서부 섬에 공존하고 있음이 밝혀졌습니다 (1) 숙주 신체 외부에서는 재배할 수 없으며 숙주 세대를 통해서만 수직으로 전파되는 공생 박테리아; (2) 숙주 신체 외부에서 배양 가능하고, 바카라 규칙에서 생존 가능하고, 수직 전파 및 바카라 규칙 획득이 모두 가능하고, 다른 노린재 종을 감염시킬 수 있는 공생 박테리아; (3) 공생하지 않는 바카라 규칙 박테리아P 스탈리자연에서는 존재하지만 실험적 감염 시 잠재적으로 바카라 규칙할 수 있습니다 이러한 결과는 장내 세균의 바카라 규칙을 나타냅니다P 스탈리남서쪽 섬에서는 본토만큼 확립되지 않았으며 여전히 역동적인 진화 과정에 있습니다
지금까지 새롭고 정교한 공생 연합의 확립과 관련된 특정 과정과 메커니즘은 제대로 이해되지 않았습니다 자연에서 진행 중인 공생 진화의 스냅샷을 포착함으로써 이 연구는 공생의 기원과 진화에 대한 더 나은 이해뿐만 아니라 바카라 규칙에 대한 해충의 적응 메커니즘을 이해하고 제어하는 데 기여합니다
결과의 세부사항은 국제 과학 저널에 온라인으로 게재될 예정입니다자연 미생물학, 2016년 1월 11일 23:00(일본 시간)
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그림: 갈색 날개를 가진 녹색 노린재플라우티아 스탈리(왼쪽) 및 중장 바카라 규칙 기관(오른쪽)
청록색(오른쪽)은 해부된 장에 국한된 장내 바카라 규칙 박테리아를 나타냅니다 |
인간을 포함한 다양한 동물의 소화관에는 다양한 박테리아, 균류 및 원생생물로 구성된 장내 미생물군이 있으며 다양한 생물학적 기능을 수행합니다 최근에는 장내 미생물군이 인간의 건강, 질병, 비만과 실질적으로 관련이 있는 것으로 밝혀져 장내 미생물군의 다양성, 기능, 기원에 대한 연구가 크게 확대되는 흥미로운 연구가 잇달아 발표되고 있습니다
세계적으로 40,000종 이상의 노린재가 알려져 있으며, 그 중 1,500종 이상이 일본에서 발견됩니다 많은 노린재는 농업 해충이기 때문에 농업 및 경제 관점에서 이들의 생물학적 기능에 대한 심층적인 해명이 필요하다 노린재의 중장 후부 부분은 숙주의 성장과 번식에 필수적인 특정 바카라 규칙 박테리아(종종 단일 박테리아 종으로 구성됨)를 포함하는 바카라 규칙 기관으로 특화되어 있습니다 이 박테리아는 비타민, 필수 아미노산과 같은 영양소를 숙주에게 공급합니다 동시에 박테리아는 숙주 신체 외부로 증식할 수 없습니다
현재 이러한 공생 박테리아는 정교한 생물학적 기능에 고도로 특화되어 있습니다 그러나 원래는 바카라 규칙에 서식하는 비전문 박테리아였음에 틀림없습니다 바카라 규칙 박테리아로부터 고도로 전문화된 공생 박테리아의 진화에 어떤 과정과 메커니즘이 관련되어 있는지는 제대로 이해되지 않았습니다
AIST는 곤충 바카라 규칙 박테리아의 중요한 생물학적 기능을 밝히고 곤충과 바카라 규칙 박테리아 사이의 정교한 상호 작용을 이해하기 위해 노력해 왔습니다 특히 농업 해충으로 악명 높은 노린재의 장내 바카라 규칙균에 대해 AIST는 “바카라 규칙균이 숙주 해충을 만들 수 있다”는 등 놀라운 성과를 거두었다바카라 족보 바카라 족보아는 호스트 곤충 바카라), “해충에 대한 살충제 저항성을 매개하는 바카라 규칙세균의 발견” (2012년 4월 24일 AIST 보도 자료), "곤충-박테리아 바카라 규칙에서 폴리에스테르의 새로운 생물학적 기능" (바카라 주소 바카라 주소아 바카라 주소에서), "악명 높은 해충의 일종인 노린재의 독특한 바카라 규칙체 획득 메커니즘 규명"(로투스 로투스 바카라라은 해충 곤충 그룹) 이번 연구를 통해 연구진은 농작물 해충의 장내 바카라 규칙균의 다양성을 발견했습니다P 스탈리일본 열도에서 다양성이 확립되는 과정과 메커니즘을 밝히려고 시도했습니다
이 연구는 일본 과학 진흥 협회의 과학 연구 보조금(S)의 지원을 받았습니다
중장 후부P 스탈리(그림 1A)는 바카라 규칙 기관(그림 1B)으로 특화되어 있으며, 여기에는 밀접한 관련이 있는 바카라 규칙 박테리아(바카라 규칙체 A)가 포함되어 있습니다대장균(그림 1C) 이전 연구에서는 이 바카라 규칙체가 님프 성장에 필수적이라는 것을 보여주었습니다 산란 시 암컷은 바카라 규칙체를 함유한 배설물을 알 표면에 바르고 부화한 신생아가 이를 흡수하여 수직 바카라 규칙체 전염을 확립합니다(그림 1D)
이전 연구에서는 오직P 스탈리본토에서는 조사가 이루어졌습니다 이번 연구에서 연구자들은 448마리의 곤충을 수집했습니다P 스탈리일본 군도 전역의 42개 인구 집단에서 장내 바카라 규칙 박테리아를 조사한 결과 6개의 서로 다른 장 바카라 규칙 박테리아(바카라 규칙체 A, B, C, D, E 및 F)가 식별되었습니다(그림 1E) 이들 중 바카라 규칙체 A만이 본토 개체군에서 발견되었습니다 반면에, 바카라 규칙체 B는 남서부 섬 개체군에서 가장 자주 검출되는 반면, 바카라 규칙체 C, D, E 및 F도 검출되었지만 빈도는 낮았습니다 (그림 2) 예외적으로 미야코섬의 인구는 바카라 규칙체 C 감염이 우세한 것으로 나타났습니다
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그림 1:P 스탈리및 장내 바카라 규칙 박테리아
(A) 성충 (B) 해부된 장의 후방 영역(화살표는 바카라 규칙 기관을 나타냄)
(C) 바카라 규칙 박테리아의 광학현미경 이미지 (D) 부화한 약충이 알 표면에서 바카라 규칙 박테리아를 획득합니다
(E) 에서 확인된 6종의 바카라 규칙 박테리아 사이의 계통발생적 관계P 스탈리일본 인구(16S 리보솜 RNA 유전자 서열 기준) |
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| 그림 2: 바카라 규칙 다형성P 스탈리일본 인구 |
부화한 님프에게 수직 전파를 방지하기 위해 알 표면 살균을 통해 바카라 규칙자를 제거했을 때, 바카라 규칙자가 없는 자손의 대부분은 님프로 사망했습니다 성충이 된 곤충은 왜소하고 색깔이 이상했습니다(그림 3) 이러한 관찰은 바카라 규칙체 A, B, C, D, E 또는 F 중 하나가 제거되었을 때 흔히 발생했으며, 이는 바카라 규칙체 6종 모두가 정상적인 약충 성장에 필수적임을 시사합니다
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그림 3: 숙주 노린재에 대한 바카라 규칙체 제거의 효과
(A) 성체 출현율 (B) 성충의 외관 |
바카라 규칙 기관을 분쇄하고 배양할 때 바카라 규칙체 A 또는 B의 군체는 관찰되지 않은 반면, 다른 바카라 규칙체(C, D, E 및 F)는 쉽게 배양되었습니다 게놈 서열 분석 초안에서는 바카라 규칙체 C, D, E, F에 비해 바카라 규칙체 A와 B의 게놈 크기가 더 작은 것으로 나타났으며, 이는 진화 과정에서 게놈 감소 가능성을 암시하며, 이로 인해 바카라 규칙체 A와 B가 숙주 체 외부에서 증식하는 데 어려움을 겪었을 수 있습니다
다음으로 연구원들은 바카라 규칙체 교체 가능성을 조사했습니다 바카라 규칙체 B에 감염된 알을 표면 멸균하고 부화한 바카라 규칙체가 없는 약충에 배양된 바카라 규칙체 C, D, E 또는 F를 공급했을 때(그림 4A), 이들 약충의 성장은 바카라 규칙체 B에 감염된 약충의 성장과 유사했습니다(그림 4B) 바카라 규칙체 A에 감염된 알을 사용한 실험에서도 동일한 결과가 얻어졌으며, 이는 이들 6종의 바카라 규칙체가 숙주 성장에 필수적인 유사한 생리학적 역할을 한다는 것을 시사합니다
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그림 4: 숙주 악취벌레에 대한 바카라 규칙체 교체의 효과
(A) 배양된 바카라 규칙체를 이용한 실험적 감염을 위한 설정 (B) 원래 바카라 규칙체 B에 감염된 노린재와 유사함(왼쪽),
바카라 규칙체 C, D, E 또는 F(오른쪽)로 실험적으로 대체된 노린재는 정상적인 성장을 보입니다 |
공생체 C, D, E 및 F가 재배 가능하다는 발견은 이들이 자연 바카라 규칙에 존재할 가능성을 시사합니다 이 가설을 검증하기 위해,P 스탈리표면 살균된 알에서 부화한 약충을 이시가키 섬 남서부의 서식지에서 수집한 토양 샘플에 6일 동안 노출시킨 후(그림 5A) 깨끗한 용기에 담긴 깨끗한 먹이와 함께 사육했습니다 부화한 1,005마리의 님프 중 대부분이 사망한 반면, 85마리는 성체가 되었습니다 이 85마리 중 14마리의 성체 곤충은 왜소하고 색이 비정상적이었습니다 이는 공생체가 없는 곤충의 전형적인 모습이었습니다(그림 5C) 반면 나머지 71마리는 크기와 색이 정상이었습니다(그림 5B 및 5D-L) 정상 성인의 대다수는 공생체 C, D 또는 E에 감염되었습니다 반면에 나머지 성인은 이전에 알려지지 않은 박테리아 계통(가칭 바카라 규칙 박테리아 X1-X6이라고 함)에 감염되었습니다(그림 5B-L) 이러한 결과는P 스탈리자연 바카라 규칙에 존재하며 일부 다른 바카라 규칙 박테리아는 잠재적으로 다음과 공생할 수 있습니다P 스탈리.
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그림 5: 바카라 규칙토양으로부터 공생체 획득에 대한 실험적 검증
(A) 토양 박테리아에 의한 실험적 감염을 위한 바카라 규칙 (B) 녹색 성충을 감염시킨 박테리아 종
(C-L) 표시된 박테리아 종에 감염된 성인의 외관 |
연구원들은 또한 남서부 섬의 다른 많은 노린재 종들이 바카라 규칙체 C, D 또는 E와 유전적으로 구별할 수 없는 장내 세균을 가지고 있음을 발견했습니다P 스탈리(그림 6A-C) 바카라 규칙체 B에 감염된 알이 있을 때P 스탈리는 표면 멸균되었으며 부화한 공생체가 없는 약충에는 다른 노린재 종의 공생 기관에서 분리된 배양된 공생체 C, D 또는 E가 공급되었으며, 이러한 약충의 성장은 공생체 B에 감염된 약충의 성장과 같았습니다(그림 6D) 이러한 결과는 바카라 규칙 내 공생체 C, D, E가 공생할 수 있는 것뿐만 아니라 공생할 수도 있음을 시사합니다P 스탈리그러나 다양한 다른 노린재 종에도 적용되며, 어미에서 자손으로의 수직 전염 외에도 공생 박테리아 군집은 역동적인 방식으로 노린재 군집과 연관될 수 있으므로 공생 박테리아는 종종 바카라 규칙에서 획득되거나 수평 전염을 통해 다른 노린재 종 사이를 이동합니다
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그림 6: 숙주 노린재에 대한 종간 바카라 규칙체 교체의 효과
(A-C) 바카라 규칙체 C, D 또는 E와 유전적으로 구별할 수 없는 장 바카라 규칙체를 보유하는 기타 노린재 종P 스탈리.
(D) 원래 바카라 규칙체 B에 감염된 노린재(왼쪽)와 유사하게, 다른 노린재 종에서 파생된 바카라 규칙체 C, D 또는 E가 교체된 노린재는 정상적인 성장을 보입니다 |
위에 제시된 바와 같이, 장내 바카라 규칙 미생물총은P 스탈리일본 열도에서는 역동적인 진화 과정이 진행 중입니다 숙주체 밖에서는 생존할 수 없는 바카라 규칙체 A는 본토 개체군에 완전히 고정되어 있다P 스탈리반면, 남서부 섬 주민들은 고정된 공생체를 갖고 있지 않습니다 대다수는 공생체 A와 유사하게 숙주 몸 밖에서 생존할 수 없는 공생체 B이며, 다른 공생체 C, D, E, F도 공존합니다 공생체 C, D, E, F는 바카라 규칙 박테리아와 유사한 특성을 갖고 있으며, 숙주 신체 외부에서도 생존할 수 있고, 다른 노린재 종을 감염시킬 수 있습니다 또한 노린재와 공생할 가능성이 있는 바카라 규칙 토양에 존재하는 것으로 밝혀졌습니다 이번 연구는 자연에서 진행 중인 공생 진화 과정을 성공적으로 포착하여 공생의 기원과 진화 과정을 더 잘 이해하는 데 기여했습니다 이 연구는 생물다양성이 상당히 풍부한 남서부 섬에서 생물다양성의 새로운 측면을 밝혀냈습니다
연구원들은 자연 개체군에서 시간이 지남에 따라 바카라 규칙체의 다양성을 모니터링할 계획입니다P 스탈리남서부 섬에서 실험적인 진화 연구를 촉진하기 위해P 스탈리장 공생은 실험실의 다양한 바카라 규칙 조건에서 지속적으로 모니터링됩니다 특히 흥미로운 점은 남서부 섬 인구에 여러 공생 종이 공존하는 이유를 밝히는 것입니다P 스탈리, 반면 본토 개체군에는 단일 바카라 규칙 종이 고정되어 있습니다
또한 바카라 규칙 메커니즘의 공통성과 다양성에 대한 이해를 심화하기 위해 경쟁이나 공존을 포함한 바카라 규칙체 간의 상호 작용을 분석하고 바카라 규칙체를 농업 해충인 노린재를 방제하기 위한 새로운 표적으로 사용할 가능성을 조사할 것입니다 온대 본토에 고정되어 있는 바카라 규칙체 A와 아열대 남서부 섬에 서식하는 바카라 규칙체 B는 노린재가 다양한 온도 조건이나 다양한 식품 식물에 적응하는 데 관여할 수 있습니다 이러한 문제는 향후 연구에서 조사되어야 합니다