蟬的共生菌與冬蟲夏草高度相似

2021-01-18 客觀日本

日本產業技術綜合研究所（簡稱 「產綜研」）生物進程研究部門的首席研究員深津武馬和主任研究員森山實、琉球大學熱帶生物圈研究中心的助教松浦優與美國蒙大拿大學合作，調查了24種日本的蟬類，發現其中15種可以與細胞內共生真菌共生，共生的細胞內共生真菌與是蟬花蟲草的近緣品種。冬蟲夏草及其近緣菌類廣泛被用作中藥材，作為免疫抑制劑等生物活性物質的產生菌廣為人知，此次發現則證明了主要生活在亞熱帶地區的各種蟬類的共生真菌也有望成為新的生物基因資源。


此次的研究成果已於2018年6月11日發表在美國學術雜誌《Proceedings of the National Academy of Sciences USA》的在線版上。


油蟬（上左） 大蟬花（上右） 蟬花（下）


此次，研究人員從包括衝繩等西南諸島在內的日本各地採集24種蟬類進行了調查，蟪蛄、蝦夷蟬、Kosemia yezoensis、黑巖蟬、端黑蟬等9種蟬的調查結果與以前的報告一樣，體內有 Sulcia 和 Hodgkinia 這兩種細胞內共生細菌（圖1）。而油蟬、斑透翅蟬、日本熊蟬、螗蟬、寒蟬、奄美大島蟬、衝繩姬春蟬、姬草蟬等其他15種蟬體內只有Sulcia，未檢測出 Hodgkinia，但擁有酵母狀細胞內共生真菌（圖2）。


圖1：蟪蛄的內部共生系統


圖2：油蟬的內部共生系統


隨後，研究人員製作了蟬類的系統樹，對是否存在 Sulcia、Hodgkinia 和共生真菌進行了解析，根據解析結果推測，在日本蟬類的進化過程中，至少獨立發生了三次從 Hodgkinia 向共生真菌的共生體置換（圖3）。


圖3：蟬類的系統關係與共生微生物的進化過程


研究人員從體內有共生真菌的蟬類身上提取了 DNA後，對真菌類的基因進行擴增，確定鹼基序列，進行了分子系統解析，發現蟬類的共生真菌與長座蟲草、屋久島線蟲草及蟬花等蟬寄生性蟲生真菌有著非常近的近緣關係。對宿主蟬類和共生真菌的系統樹進行比較發現，二者的系統關係幾乎完全不同，而且蟬寄生性蟲生真菌位於各種蟬類的共生真菌之間，表現出了複雜的模式，這強烈表明，在蟬類的進化過程中，反覆發生了從蟲生真菌向共生真菌的進化，而且共生真菌似乎被其他共生真菌反覆取代（圖4）。


圖4：日本蟬類與共生真菌及蟲生真菌的系統關係比較


研究人員試著對這些蟬類的共生真菌進行分離培養，其中大部分都難以培養，只有寒蟬的共生真菌可以培養，雖然生長非常緩慢，但在瓊脂培養基上成功實現了分離培養（圖5）。確定該共生真菌培養株的概要基因組序列時，保留了被認為是 Hodgkinia 功能的必需胺基酸合成系統和維生素合成系統。


圖5：寒蟬共生真菌的分離培養


以上結果顯示，取代蟬類生存所需的細胞內共生細菌 Hodgkinia，代替了該功能的細胞內共生真菌，與以蟬花類而聞名的蟬寄生性蟲生真菌在生態和進化方面密切相關（圖6）。蟬的幼蟲靠吸取樹根液汁為生，要在土壤中蟄伏多年逐漸成長。可能是因為要在遍布微生物的潮溼土壤中長時間棲息，所以蟬的幼蟲容易接受蟲生真菌的寄生。事實上，在日本記錄在冊的約240種蟲生真菌中，具有蟬寄生性的就佔20多種。


圖6：蟬共生真菌和蟲生真菌的進化生態關係


文 客觀日本編輯部

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