クロ カタ ゾウムシ。 カタゾウムシとは

産総研:ゾウムシが硬いのは共生細菌によることを解明

クロ カタ ゾウムシ

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クロカタゾウムシ

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国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)生物プロセス研究部門【研究部門長 田村 具博】深津 武馬 首席研究員(兼)生物共生進化機構研究グループ 研究グループ長、産総研・早大 生体システムビッグデータ解析オープンイノベーションラボラトリ【ラボ長 竹山 春子】(兼)生物プロセス研究部門 生物共生進化機構研究グループ 安佛 尚志 主任研究員、生物共生進化機構研究グループ 森山 実 主任研究員らは、放送大学、九州大学、鹿児島大学、京都大学、東京大学、沖縄科学技術大学院大学、基礎生物学研究所と協力して、4種のの全ゲノム配列を決定し、アミノ酸の一種であるの合成に特化した極めて小さいゲノムであることを解明した。 さらに、がとても硬いことで知られるにおいて、ナルドネラがチロシン合成を介して宿主昆虫の外骨格の着色と硬化に関与していることや、チロシン合成の最終段階が宿主側の遺伝子によって制御されていることを実証した。 本研究により、共生細菌が甲虫の硬さに関わる仕組みを世界で初めて明らかにした。 多くの甲虫類が重要な農業害虫、森林害虫、貯穀害虫であるため、この成果に基づくクチクラ形成を標的とした新たな害虫防除法の開発につながる可能性が期待される。 この成果は2017年9月18日以降(米国東部時間)に米国の学術誌 Proceedings of the National Academy of Sciences USA(米国科学アカデミー紀要)にオンライン掲載される。 とても硬い体で知られるクロカタゾウムシ 研究の社会的背景 昆虫類はこれまでに記載された生物種の過半数を占め、陸上生態系の主役となるグループである。 なかでも甲虫類は最も種数が多く繁栄しているが、その理由の一つに、甲虫類を特徴づける硬い外骨格クチクラの発達がある。 強固な外骨格は機械的強度の増加や、乾燥や外敵から身を守ることに役立ち、甲虫類の環境適応において重要な役割を果たしている。 ゾウムシ類は甲虫類の中でもとりわけ種数が多く、また硬い外骨格をもつ種が多い。 多様なゾウムシ類がナルドネラという共生細菌を体内に保有している。 例えば、とりわけ堅牢な外骨格をもつことで知られるクロカタゾウムシ(図1A)のナルドネラ(図1B)は、幼虫(図1C)の消化管に付随する共生器官(図1D)を構成する菌細胞の細胞質内に局在する(図1E)。 宿主ゾウムシのと共生細菌ナルドネラの分子系統樹は高度に一致し、両者の共生関係の起源は1億年以上前、ゾウムシ類の共通の祖先にさかのぼると推定されてきた。 しかし、この共生細菌の機能は不明であった。 今回、ゾウムシ4種(クロカタゾウムシ、ヤシの害虫のヤシオオオサゾウムシ、松材の害虫のオオゾウムシ、サツマイモの害虫のイモゾウムシ)に共生するナルドネラの全ゲノム塩基配列を決定した(図2)。 その結果、ゲノムサイズは約20万塩基対と極めて小さく、細菌の生存に必須な、、に関わる最小限の遺伝子以外のほぼ全ての代謝系の遺伝子が失われていた。 ところが、アミノ酸の一種であるチロシンの合成系遺伝子群のみが保存されており、ナルドネラはチロシン合成に特化した機能をもつことが判明した。 図2 4種のゾウムシ由来の細胞内共生細菌ナルドネラのゲノム構造 A ヤシオオオサゾウムシ、 B オオゾウムシ、 C イモゾウムシ、 D クロカタゾウムシのナルドネラのゲノム構造。 多くのゾウムシ類は硬く発達した外骨格をもち、チロシンは外骨格の硬化や着色に必要であることが知られている。 そこで、外骨格がとても硬いことで知られるクロカタゾウムシの幼虫を高温や抗生物質で処理してナルドネラの感染密度を抑制したところ(図3A)、体液中のチロシン濃度が減少し(図3B)、羽化した成虫の外骨格が赤っぽく柔らかくなった(図3C)。 これらの結果は、ナルドネラを介したチロシン合成が、宿主ゾウムシの外骨格の着色や硬化に重要な役割を果たすことを示している。 図3 抗生物質処理によるナルドネラの抑制がクロカタゾウムシに与える影響 抗生物質を摂食させた幼虫では、体内のナルドネラ感染密度(A)や、体液中のチロシン濃度(B)が有意に低下した。 そのような幼虫が羽化すると、上翅クチクラが赤っぽく柔らかい成虫(C)が高頻度で出現した。 *は統計的に有意な違いがあることを示す。 興味深いことに、ナルドネラのゲノムにコードされたチロシン合成遺伝子群のうち、最終段階の遺伝子だけが欠失していた(図4A)。 そこでクロカタゾウムシ幼虫の共生器官で発現している宿主側の遺伝子をで調べたところ、チロシン合成の最終段階を担う遺伝子が発現しており、他の組織と比べて共生器官での発現量が有意に高かった(図4B)。 を用いて、幼虫時に宿主のアミノ基転移酵素遺伝子の発現を抑制したところ、体液中のチロシン濃度が低下し、赤っぽく柔らかい成虫が羽化してきた(図4C)。 これらの結果は、ナルドネラによるチロシン合成の最終段階を宿主ゾウムシの酵素遺伝子が担うことにより、チロシン合成の制御が行われていることを示唆している。 図4 ナルドネラによるチロシン合成の最終段階における宿主制御 A ナルドネラのゲノムにコードされたチロシン合成遺伝子群。 B 宿主のアミノ基転移酵素遺伝子の組織別の発現量。 C アミノ基転移酵素遺伝子の発現が抑制された幼虫から羽化した成虫。 これらの結果から、 1 ゾウムシ類の細胞内共生細菌ナルドネラはチロシン合成という単一の生物機能に特化した極小ゲノムを持ち、宿主の外骨格クチクラの形成に必須である、 2 チロシン合成系の最終段階を触媒する酵素遺伝子はナルドネラのゲノムにはなく、かわりに宿主の共生器官でアミノ基転移酵素が高発現している、 3 この宿主側のアミノ基転移酵素が共生器官におけるチロシン合成を制御している、 4 ナルドネラと宿主のゲノムや代謝レベルの高度な統合により、ゾウムシ類の共生器官は外骨格形成に必要なチロシン供給器官として機能している、といったことがわかった。 頭部の先端(吻)がゾウの鼻のように前方に伸びる種類が多いためこの名がある。 成虫、幼虫とも植食性で、葉、茎、花、果実、種子、材、朽木などを食害し、多くの農業害虫や森林害虫を含む。 例えばアブラムシの細胞内共生細菌ブフネラは宿主の生存や繁殖に必須で、共生のための特別な細胞に高密度で収納されている。 一方、多様な昆虫類に見られる細胞内共生細菌ボルバキアは宿主の生存や繁殖に必要ではなく、むしろ不利益になる場合も多く、体中の細胞に低密度で感染している。 植物や多くの微生物はフェニルアラニンを介さないチロシン合成経路をもつ。 主に節足動物などの無脊椎動物に見られる。 学名 Pachyrhynchus infernalis。 全身は漆黒で、体はとても硬い。 後翅は退化して飛べず、上翅は癒合して開くことができない。 カタゾウムシ類はフィリピンを中心とする東南アジアに分布し、体はとても硬く、多くの種が美麗な斑紋で彩られるが、クロカタゾウムシは最北限に分布し、真っ黒で地味な外見の種である。 昆虫類をはじめとする節足動物ではクチクラが外骨格を形成し、その主成分はキチン質という多糖類およびクチクラタンパク質である。 転写とは、ゲノムDNA上に存在する遺伝子の塩基配列に基づいて相補的なメッセンジャーRNAを合成すること。 翻訳とはメッセンジャーRNAの塩基配列に基づいて、アミノ酸を重合させてタンパク質を合成すること。 これらは細胞の増殖に必須な分子機構であり、ほぼ全ての生物で高度に保存されている。 さまざまなアミノ酸の産生に重要な役割を果たす。 昆虫を含むさまざまな真核生物の遺伝子機能の解析に用いられる。 2006年のノーベル生理学・医学賞はこの技術の開発によりアンドリュー・ファイアーとクレイグ・メローに授与された。 関連記事• お問い合わせ.

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好きなところにジャンプできます• クロカタゾウムシの特徴 クロカタゾウムシは 体長11~15mmほどのゾウムシの仲間です。 全身真っ黒で、ひょうたんみたいな形をしています。 体に比べると足が長い印象です。 ゾウムシはその名の通り長く伸びた口部分がゾウの鼻に見えるのですが、クロカタゾウムシの口は他のゾウムシに比べると少し短めですね。 「若干口が出ているかなー」くらいです。 クロカタゾウムシの生息地 クロカタゾウムシは沖縄の 八重山諸島に生息しています。 カタゾウムシの仲間は虫王国であるフィリピンやニューギニアなどの東南アジアに、約420種類ほどが生息しています。 八重山諸島はカタゾウムシが生息している最も北の地域で、クロカタゾウムシはこの地域のみに生息している固有種です。 毎年5月~9月に活発に動き出します。 それ以外の時期は幼虫やサナギの状態で過ごすようです。 クロカタゾウムシの食性 クロカタゾウムシは草食性で、主に葉っぱを食べています。 八重山諸島に多く生えている スダジイ、カンコノキ、リュウキュウエノキなどの葉っぱを食べていますが、木の幹や根を食べることもあります。 マンゴー畑が多い八重山諸島では、クロカタゾウムシによるマンゴーの木の食害が問題視されています。 特産品であるマンゴーの品質にも関わってくるため、害虫として駆除されることもしばしばです。 クロカタゾウムシは甲虫の仲間 クロカタゾウムシはコウチュウ目・ゾウムシ科の昆虫です。 コウチュウとは甲虫のことで、 カブトムシやクワガタムシ、カナブン、カミキリムシ、テントウムシなどのグループです。 動物の中で、最も数が多いと言われているのが昆虫の仲間ですが、コウチュウ目はその中でも最大です。 地球上で最も成功しているグループだと言えますね。 甲虫の特徴はその硬い表皮です。 この表皮は外骨格と呼ばれ、甲虫が身を守るために身につけた最大の武器です。 通常の昆虫の翅は前翅と後翅、つまり前と後ろに翅が分かれていているのが特徴です。 しかし、甲虫の翅は前翅が後翅を覆うようになっています。 これを「鞘翅(しょうし)」といいます。 そのため、コウチュウ目は鞘翅目とも呼ばれています。 カナブンの鞘翅 鞘翅には後翅や柔らかいお腹を保護する役割があります。 クロカタゾウムシの翅は開かない! 甲虫は鞘翅を開き、薄い後翅を羽ばたかせることで飛ぶことができます。 鞘翅は羽ばたかせることはなく、バランスを維持するのに役立っているそうです。 しかし クロカタゾウムシは、鞘翅がくっついていて開くことができません。 上の写真を見れば分かりますが、クロカタゾウムシは鞘翅の境目がはっきりしていません。 これはカタゾウムシの仲間やオサムシなどに見られる特徴で、飛ぶ代わりに固さを追究した結果です。 飛ぶことで身を守る昆虫もいれば 「飛ばなくてもいいからとにかく固くなりたい」と思って、進化した昆虫もいるんですね。 クロカタゾウムシはどれくらい硬いの? いくらクロカタゾウムシが硬いと言っても「たかが1. 5cmくらいの小さな虫。 そんなに大騒ぎするほど硬いわけない」と、思ってしまいますよね。 しかし、クロカタゾウムシの固さは桁違いです。 もはや虫とは思えないほどです。 どらだけ硬いかというと、 ・ステンレス性の針が刺さらず、標本にするときはテープでとめないといけない ・鳥に食べられても固すぎて消化されずにそのまま排出される ・死体すら指で潰せないほどカッチカチ などなど、規格外の固さです。 針が刺さらない 虫を標本にするときは見た目の問題もあるため、細いステンレス針をさして固定します。 しかし、クロカタゾウムシには細い針など貫通しません。 コンパスのような太くて頑丈な針でしか皮膚を貫けないんです。 そのため、 クロカタゾウムシを標本にする時は、セロテープでとめるという、ちょっとカッコ悪い方法で体を固定します。 太すぎる針だとクロカタゾウムシの体がちぎれてしまう恐れがあるからです。 鳥も食べない クロカタゾウムシがこれほどまでに固くなったのは、身を守るためです。 通常、 虫の一番の天敵である鳥ですらも、クロカタゾウムシを食べることはできません。 食べても消化することができないんです。 最終的には、そのまま糞として排泄されるんだとか、、、 固すぎますね。 食べても意味ないので鳥も食べないってことです。 指で潰せない! クロカタゾウムシに標本用の針が通らないことは説明しましたね。 クロカタゾウムシは死体ですら固さを維持しているんです。 人間と言えど、クロカタゾウムシを潰すのは簡単ではありません。 針が通らないんですからね。 当たり前です。 東南アジアの先住民たちは、カタゾウムシを潰せるかどうかで指の力を試しているんだとか! 屈強な肉体を持つ先住民ですら、その固さを認めているんですね。 これほどの体格差があっても、クロカタゾウムシを攻略するのは難しいようです。 クロカタゾウムシの固さは細菌のおかげ!? これほどまでの固さを持つクロカタゾウムシですが、近年その固さの秘密が解明されました。 なんと細菌が関係していたんです。 クロカタゾウムシの体内には「ナルドネラ」という細菌が住みついています。 このナルドネラは他のゾウムシにも見られ、1億年以上も昔から、共生関係にあったと言われています。 産業技術総合研究所などの研究チームは、このナルドネラにクロカタゾウムシの固さの秘密があると見て、研究、分析しました。 その結果、 ナルドネラはクロカタゾウムシの外骨格の元になるキチン質とタンパク質を結びつける「チロシン」という物質を作り出していることが分かりました。 ナンドネラを抗生物質によって減らされたクロカタゾウムシの幼虫は、成虫になってもフニャフニャな外骨格しか作ることができなかったそうです。 クロカタゾウムシがあれほど固くなるためには、大量のチロシンが必要です。 しかも、チロシンには外骨格を作る役目もあるため、ナルドネラが全くいない状態だと、成虫になることができないんです。 クロカタゾウムシと人間の関係 クロカタゾウムシの固さの秘密を解明することの背景には、彼らが害虫として扱われていることがあります。 クロカタゾウムシはマンゴーなど、島民にとって重要な農産物の木を食い荒らしてしまうんです。 そのため、現地では様々な駆除が行われてきました。 しかしクロカタゾウムシの固さもあり、なかなか効率の良い駆除方法がなかったんです。 天敵がいないクロカタゾウムシです。 エサさえあれば増え続けてしまいます。 農薬は農産物や他の生き物にも悪影響を与えてしまう可能性があるため、好まれませんでした。 そこで、 産業技術総合研究所の研究チームが解き明かした「クロカタゾウムシの固さの秘密」が役に立つわけです。 ナルドネラのみをターゲットとした薬品であれば、農産物や他の生き物には影響を出さずに、クロカタゾウムシのみを駆除することができる可能性があります。 農薬による様々な悪影響の心配が無くなります。 また、ナルドネラなどの共生細菌を持っている害虫は他にもいます。 ゴキブリやシロアリなどの厄介者達です。 クロカタゾウムシの駆除方法が他の害虫の駆除にも応用できるため、さらなる研究が進められています。 害虫対策には科学的な駆除だけでなく、天敵を持ち込むことも有効とされます。 特定外来生物 「ヒアリ」はノミバエの一種が天敵です。 このハエを人為的に解き放つ計画も進められているんです。

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