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細菌がいないと「フニャフニャ」に!? 昆虫と細菌の不思議な関係

共生細菌との不思議な関係

さまざまな研究室を訪問してサイエンスの現場をリポートする「ブルーバックス探検隊が行く」。今回は「存在しないと感染された昆虫自身が生きられない」という共生細菌と昆虫の不思議な関係を読み解いている、産業技術総合研究所の深津武馬さんに登場していただきます(取材・文/永幡嘉之)。

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細菌なしには生きられない昆虫

「細菌との共生」と聞いて、あなたは何を思い浮かべるだろう。

そもそも細菌といえば、病気をもたらしてヒトの健康を害する悪者という印象を抱いてはいないだろうか。

地球上に暮らす多種多様な生物のなかで、細菌もまた多様な暮らしぶりを見せるが、動植物と違って通常は目に見えない。そのため細菌の存在は、その働きを介することではじめて認識できる。

たとえば万人にもっともわかりやすい例が、ものを「腐らせる」という働きだろうし、納豆やヨーグルト、日本酒などの食品をつくる「発酵」も、よく知られた細菌の働きのひとつだ。

 

ところで、ヒトを含めた動植物の体内には、少なからぬ数の細菌が存在していることが知られている。ヒトの成人男子では、およそ1~2キログラムもの細菌が体内に存在し、胃腸の調子を整えるといった働きをしている。

しかし、昆虫のなかには、生命を維持するためのきわめて重要な役割を細菌が担っており、細菌を除去すると死んでしまうものも少なくないという。

こうした生物と細菌との共生のしくみを次々と解明してきた第一人者が、産業技術総合研究所の深津武馬さんだ。研究の最前線を見せてもらおうと、イチョウが色づき、垣根にカネタタキの声が響く晩秋の午後、研究室に深津さんを訪ねた。

[写真]産業技術総合研究所の深津武馬さん産業技術総合研究所の深津武馬さん

アブラムシやカメムシを材料に、昆虫と細菌との共生関係を長く研究してきた深津さんは、近年になって、チャバネアオカメムシというカメムシと細菌のあいだで、新たな共生関係が現在進行形で構築されつつあるのを発見したという。

昆虫と細菌の共生から見えてくる、生物の進化過程。そんな壮大な話を聞かせていただこうと期待していたら、まずはカメムシではなく、奇妙な生きものを手にとって見せてくれた。 クロカタゾウムシという、八重山諸島(沖縄県)に分布する南国のゾウムシだった(図1)。

[図1]クロカタゾウムシ図1:クロカタゾウムシ

ゾウムシの中でもカタゾウムシの仲間は、フィリピンを中心とした東南アジアで繁栄し、植物の葉を食べている。

その特徴は、体を覆う翅や脚などの外骨格が非常に厚くて頑丈なことだ。鳥などが食べようとしても、硬すぎて消化できない。捕食者に敬遠されてきた歴史は古いようで、カミキリムシなど他の昆虫がカタゾウムシに擬態する例もよく見られる。

クロカタゾウムシもこのカタゾウムシの仲間だが、その硬い体をつくるのに、実は共生細菌が関わっているという。細菌が働かないようにすると、軟らかい体になってしまうのだ。硬さを失えば、もはやカタゾウムシとは言いがたい。深津さんはこう言って笑う。

「クロカタゾウムシも、共生細菌がなければ『フニャカタゾウムシ』ですよ」

少なからぬ昆虫類は細菌と共生することにより、もはや単独では生きていけない生命複合体となっている。

野外でも飼育ケースのなかでも、黙々と餌を食べては世代を繰りかえしていくクロカタゾウムシの精巧な体のつくりを、私たちは単に「持って生まれたもの」と捉えてしまいがちだ。

しかし、実はそこには、体内に共生している細菌の働きがあったのだ。

本題のカメムシに入ろう。

深津さんの共生細菌の研究では、多くのカメムシ類が用いられてきた。

カメムシの仲間は、植物の葉や幹に産卵する。その際に、メスが卵の表面に液を塗ったり、あるいはゼリー状の物質で卵を覆ったりする。

なぜそんなことをするのかというと、実はそのなかに細菌が混ぜ込まれており、孵化した幼虫がそれを摂取することで、腸内に共生する細菌が親から子へと受け継がれるのだ(図2)。

[図2]卵殻表面から共生細菌を獲得中のチャバネアオカメムシの孵化幼虫図2:卵殻表面から共生細菌を獲得中のチャバネアオカメムシの孵化幼虫

そうした共生細菌の存在(図3、4、5)が解明される以前から、カメムシ類の幼虫が卵のまわりの物質を吸う行動は、野外での生態観察によって明らかにされており、親が準備した栄養分を摂取していると考えられていた。

しかし、共生細菌の存在が明らかになったことで、この行動には栄養の摂取のほかにもきわめて重要な意味があることが浮かび上がったわけだ。

[図3]チャバネアオカメムシから摘出した消化管の後部。黄色い部分が共生細菌の棲息する中腸共生器官(左の丸い部分は後腸)図3:チャバネアオカメムシから摘出した消化管の後部。黄色い部分が共生細菌の棲息する中腸共生器官(左の丸い部分は後腸)
[図4]消化管内に局在する腸内共生細菌(青緑色の蛍光で可視化)図4:消化管内に局在する腸内共生細菌(青緑色の蛍光で可視化)
[図5]共生細菌の光学顕微鏡像図5:共生細菌の光学顕微鏡像

カメムシの共生細菌はこのように卵の周辺部を介して次の世代に受け継がれることから、卵のまわりを滅菌したり、そのうえで別の細菌を与えて摂取させ、共生細菌を入れ替えたりするなど、さまざまな実験が可能になる。

カメムシの仲間では腸内に盲腸のような構造が多数あって、その中に共生細菌を蓄えている。実験的に共生細菌の感染を妨げて無菌状態にすると、幼虫の成長が悪くなって死んでしまうという。すでに細菌なしには生きられなくなっているのだ。

もしこれが、植物の葉や幹ではなく土や朽木のなかに卵を産みこむ習性をもつ昆虫であれば、卵の周辺から共生細菌だけを取り出すことは難しかっただろう。複雑な自然現象を読み解くうえで、共生細菌を操作しやすいカメムシは格好の研究材料だった。

ところで多くの共生細菌は、すでに特定の昆虫の体内で繁殖を続けていくことに特化して、その昆虫の体内でしか生きていけなくなっている。

では、このような共生のしくみはいったい、いつの時代に、どのようにできあがったのか。これは進化生物学における大きな謎だった。

[図6]チャバネアオカメムシの成虫図6:チャバネアオカメムシの成虫

ところが、チャバネアオカメムシ(図6)というカメムシの一種を研究していくなかで、その手がかりが浮かび上がってきた。