蝉的共生菌与冬虫夏草高度相似

生命科学 2018年06月20日
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日本产业技术综合研究所(简称“产综研”)生物进程研究部门的首席研究员深津武马和主任研究员森山实、琉球大学热带生物圈研究中心的助教松浦优与美国蒙大拿大学合作,调查了24种日本的蝉类,发现其中15种可以与细胞内共生真菌共生,共生的细胞内共生真菌与是蝉花虫草的近缘品种。冬虫夏草及其近缘菌类广泛被用作中药材,作为免疫抑制剂等生物活性物质的产生菌广为人知,此次发现则证明了主要生活在亚热带地区的各种蝉类的共生真菌也有望成为新的生物基因资源。

此次的研究成果已于2018年6月11日发表在美国学术杂志《Proceedings of the National Academy of Sciences USA》的在线版上。

蝉的共生菌与冬虫夏草高度相似

油蝉(上左) 大蝉花(上右) 蝉花(下)

此次,研究人员从包括冲绳等西南诸岛在内的日本各地采集24种蝉类进行了调查,蟪蛄、蝦夷蝉、Kosemia yezoensis、黑岩蝉、端黑蝉等9种蝉的调查结果与以前的报告一样,体内有Sulcia和Hodgkinia这两种细胞内共生细菌(图1)。而油蝉、斑透翅蝉、日本熊蝉、螗蝉、寒蝉、奄美大岛蝉、冲绳姬春蝉、姬草蝉等其他15种蝉体内只有Sulcia,未检测出Hodgkinia,但拥有酵母状细胞内共生真菌(图2)。

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图1:蟪蛄的内部共生系统

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图2:油蝉的内部共生系统

随后,研究人员制作了蝉类的系统树,对是否存在Sulcia、Hodgkinia和共生真菌进行了解析,根据解析结果推测,在日本蝉类的进化过程中,至少独立发生了三次从Hodgkinia向共生真菌的共生体置换(图3)。

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图3:蝉类的系统关系与共生微生物的进化过程

研究人员从体内有共生真菌的蝉类身上提取了DNA后,对真菌类的基因进行扩增,确定碱基序列,进行了分子系统解析,发现蝉类的共生真菌与长座虫草、屋久岛线虫草及蝉花等蝉寄生性虫生真菌有着非常近的近缘关系。对宿主蝉类和共生真菌的系统树进行比较发现,二者的系统关系几乎完全不同,而且蝉寄生性虫生真菌位于各种蝉类的共生真菌之间,表现出了复杂的模式,这强烈表明,在蝉类的进化过程中,反复发生了从虫生真菌向共生真菌的进化,而且共生真菌似乎被其他共生真菌反复取代(图4)。

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图4:日本蝉类与共生真菌及虫生真菌的系统关系比较

研究人员试着对这些蝉类的共生真菌进行分离培养,其中大部分都难以培养,只有寒蝉的共生真菌可以培养,虽然生长非常缓慢,但在琼脂培养基上成功实现了分离培养(图5)。确定该共生真菌培养株的概要基因组序列时,保留了被认为是Hodgkinia功能的必需氨基酸合成系统和维生素合成系统。

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图5:寒蝉共生真菌的分离培养

以上结果显示,取代蝉类生存所需的细胞内共生细菌Hodgkinia,代替了该功能的细胞内共生真菌,与以蝉花类而闻名的蝉寄生性虫生真菌在生态和进化方面密切相关(图6)。蝉的幼虫靠吸取树根液汁为生,要在土壤中蛰伏多年逐渐成长。可能是因为要在遍布微生物的潮湿土壤中长时间栖息,所以蝉的幼虫容易接受虫生真菌的寄生。事实上,在日本记录在册的约240种虫生真菌中,具有蝉寄生性的就占20多种。

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图6:蝉共生真菌和虫生真菌的进化生态关系

文 客观日本编辑部

参考文献:
セミの共生菌は冬虫夏草由来[网址]

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