カメムシに特異的な免疫の仕組みを発見

2019-02-252021-08-16

カメムシだけに作用する害虫制御技術開発への応用に期待

2019-02-25 農研機構

ポイント

これまでに知られていない新しい昆虫の免疫¹⁾機構の一端を、果樹の害虫であるチャバネアオカメムシ²⁾で解明しました。昆虫の免疫機構は微生物等の体内への侵入を認識することで働きますが、カメムシ目昆虫には特有の微生物認識タンパク質が存在することを世界で初めて明らかにしました。カメムシ類だけに作用する新しい害虫制御技術開発への応用が期待できます。

概要

昆虫を含む多くの生物は、体内に侵入した微生物などの異物を素早く認識し、迅速に排除して身を守る免疫という仕組みを持ちます。昆虫の体液(血液)内の免疫に関与するタンパク質が細菌の表面にある物質(ペプチドグリカン³⁾)を認識すると、免疫応答が活性化されます。ショウジョウバエ等を用いたこれまでの研究から、この細菌の認識に関わるタンパク質はいくつか知られていましたが、チャバネアオカメムシでは既知のものに加えて、これまで昆虫の免疫に関与するとは考えられていなかったLysin Motif ⁴⁾と呼ばれるドメインを含むタンパク質(以下、LysMと表記)が細菌を認識し、免疫応答を活性化することが明らかとなりました。
LysMはカメムシ目以外の昆虫からは見つかっていません。そのため、LysMを標的にすれば、カメムシ類だけに作用し、他の有用昆虫等に影響しない害虫制御技術を開発できると考えられます。

詳細情報

開発の社会的背景と研究の経緯

食の安全や環境の保全に対する消費者の関心の高まりを背景として、害虫だけに作用する選択性の高い農薬の開発が求められています。害虫(昆虫)はヒトを含む多くの動物とは異なる免疫システムを持っているので、これを低下させることができれば、環境中の細菌などを感染させて害虫だけを排除する新たな技術の開発につながると考えられます。
一方で、全ての昆虫種が同じメカニズムで免疫を働かせていると考えられていましたが、近年の次世代シーケンサーを用いた比較ゲノム解析から、カメムシ目の昆虫は他種とは異なる免疫機構を持つことが分かってきました。カメムシ目は、アブラムシ、ウンカ、キジラミ、コナジラミなど農業上問題となっている多くの害虫を含みます。そこで農研機構は、カンキツ類、ナシ、カキ、ウメなど果樹全般の害虫であるチャバネアオカメムシ(図1)の免疫機構に関する研究に産業技術総合研究所と共同で取り組み、カメムシ目昆虫特有の免疫応答メカニズムの一端を解明しました。

研究の内容・意義

ショウジョウバエ等のモデル昆虫を用いた先行研究から、昆虫の免疫応答は主にPGRP⁵⁾と呼ばれるタンパク質が細菌を感知することで活性化されることが分かっています。PGRPは細菌の表面に存在するペプチドグリカンを認識します。
遺伝子の発現を抑えるRNAi⁶⁾という手法でPGRPの働きを抑制した後に大腸菌を注射すると、チャバネアオカメムシの抗菌性ペプチドの生産量が減少し、免疫応答が低下することが示されました。次に、植物の細菌感染認知に関与するLysMがカメムシ目昆虫にも存在することに着目し、この遺伝子の発現を抑える実験を行いました。すると、PGRPと同様に、LysMの発現を抑えたカメムシでも抗菌性ペプチドの生産量は下がりました(図2)。
これらの結果から、チャバネアオカメムシではPGRPだけでなくLysMも細菌の侵入を認識し、免疫応答を活性化することが示されました。
LysMをコードする遺伝子はカメムシ目以外の昆虫からは見つかっていません。この働きを抑えるような物質を創出すれば、カメムシ目昆虫だけに作用し、他の有用昆虫等の生物に影響しない、環境にやさしい農薬の開発に応用できると期待されます。

今後の予定・期待

カメムシ目はアブラムシ、コナジラミ、ウンカなど農業上重要な害虫を多く含みます。カメムシ目昆虫特有の免疫機構に関与する遺伝子やタンパク質をより詳細に解明し、これらに作用する物質を探索することで、選択性の高い農薬等の農作物保護技術の開発に貢献することを目指します。

用語の解説

１）免疫
体内に侵入した微生物等の異物に対する生物的防御。昆虫は、ヒトをはじめとする脊椎動物でみられるような抗原抗体反応を基盤とした獲得免疫を持たず、非特異的に異物を排除する自然免疫のみを備えています。

２）チャバネアオカメムシ
日本全国に分布し、様々な果樹(特にカンキツ類、ナシ、カキ、ウメ)の害虫となっているカメムシです。大発生をすることがあり、その際は被害も大きくなります。

３）ペプチドグリカン
ペプチドと糖からなる高分子で、細菌の細胞壁の主要な構成成分です。

４）LysM (Lysin Motif)
植物では細菌の認識に関与するタンパク質のドメイン(領域)として知られていましたが、昆虫では機能が不明でした。チャバネアオカメムシ以外では、同じカメムシ目のミカンキジラミとホソヘリカメムシからこのドメインを含む遺伝子が見つかっています。

５）PGRP
Peptidoglycan Recognition Protein(ペプチドグリカン認識タンパク質)の略。ほぼ全ての昆虫がPGRPを持ち、このタンパク質が細菌表面のペプチドグリカンを認識すると免疫応答が活性化されると考えられています。

６）RNAi
人工的に合成した二本鎖RNAを導入すると、これと相補的な塩基配列を持つmRNAが分解されます。この現象(RNA干渉:RNA interference)を利用することで、任意の遺伝子の発現を抑制することができます。

発表論文

論文タイトル:Functional crosstalk across IMD and Toll pathways: insight into the evolution of incomplete immune cascades

雑誌名:Proceedings of the Royal Society B Biological Sciences

著者名:Yudai Nishide, Daisuke Kageyama, Kakeru Yokoi, Akiya Jouraku, Hiromitsu Tanaka, Ryo Futahashi, Takema Fukatsu

Doi:doi.org/10.1098/rspb.2018.2207

参考図

図2 各種ペプチドグリカン認識タンパク質の働きを抑制した場合の抗菌性ペプチド遺伝子の発現量

これまで知られているように、PGRPの働きを抑えると昆虫の免疫を担う抗菌性ペプチド遺伝子の発現量は低下しました。また、LysMの働きを抑えた場合にも同様に抗菌性ペプチド遺伝子の発現量が低下しました(*は発現量の低下が統計的に有意であることを示します)(Nishide et al. 2019を改変)。