共生細菌會保護宿主?
2013/09/25

范姜文榮 | 國立臺灣大學生命科學系

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由日本豐橋技術科技大學為主,並與理化學研究所、東京大學、瑞士與德國的大學等所組成的研究團隊,合作解析出生存於柑橘類的重要害蟲─柑桔木蝨內兩種共生細菌:韌皮部桿菌與韌皮部桿菌新種全部基因排列,並同時進行分子生物學、生化學、及藥理學的研究,結果發現前者是供應宿主必須胺基酸的營養共生體
 
 
 
聽到「共生」這個名詞,一般人可能會聯想到高人氣的小丑魚與海葵間的互利共生關係,海葵具有毒性的刺絲胞可以保護小丑魚來躲避天敵,而小丑魚則提供食物的碎屑給海葵進食。另外,也許有些人知道我們的細胞內,具有進行有氧呼吸所需的粒線體,科學家認為粒線體原本是與細菌相似的原核生物,在不知原因下進入真核細胞後,粒線體負責提供能量給細胞,而細胞提供粒線體所需的蛋白質及脂肪等。以上這些現象顯示共生在生物進化中扮演重要的角色。

由日本豐橋技術科技大學為主,並與理化學研究所、東京大學、瑞士與德國的大學等所組成的研究團隊,合作解析出生存於柑橘類的重要害蟲─柑桔木蝨1內兩種共生細菌:韌皮部桿菌2與韌皮部桿菌新種3全部基因排列,並同時進行分子生物學、生化學、及藥理學的研究,結果發現前者是供應宿主必須胺基酸的營養共生體,後者則是會合成細胞毒素來保護宿主抵抗天敵的保衛共同體。先前所發現的共生細菌當中,從未具有防衛機能,這是首次發現生存細胞內的共生細菌,會合成毒性物質以保護宿主。

兩種共生細菌都廣泛存在於柑桔木蝨族群中,特別集中在宿主共生器官的細胞內。那些共生細菌可自柑桔木蝨親代經垂直感染至子代,使得共生細菌的基因能持續遺傳下去。然而共生過程出現基因體縮小的趨勢,其中基因體174,014鹽基對的韌皮部桿菌,僅為約500萬鹽基對模式生物-大腸菌的30分之1;基因體464,857鹽基對的韌皮部桿菌新種,僅為大腸菌的10分之1,這結果顯示這2種共生細菌如同粒線體或葉綠體一樣,呈現出與宿主生物合為一體的特徵。

韌皮部桿菌新種的發現,顛覆以往的知識,除顯示共生的進化面向外,也帶給生物學相當大的衝擊。其所合成新型防衛物質的發現過程是透過分析其遺傳基因序列,發現該遺傳基因高達全體基因的15%。經使用高效液相色譜法分離與定量標的化合物,並推測其產物結構,以及使用核磁共振與質譜儀法,解析出此化合物的詳細結構,結果發現此新型化合物與隱翅蟲4所合成的強力細胞毒素─隱翅蟲素5類似,此蛋白被命名為「代芬林6」。

為檢驗代芬林的生理機制,以人類與老鼠的癌症培養細胞進行藥理活性檢測,發現該化合物具有強烈抑制細胞分裂與增殖活性的功能,期待未來有助於應用在抗癌劑等醫藥開發。另從本研究解析出的特性,顯示柑桔木蝨的複合共生體系,對昆蟲宿主的生存是不可或缺的,因其不存在於周邊環境中的其他生物,專一性高,有希望開發成為新型安全害蟲防治法的有效標的。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

責任編輯:陳俊宏|國立台灣大學生命科學系

名詞解釋:

1.柑桔木蝨 : 學名Diaphorina citri,成蟲、幼小若蟲群棲嫩枝梢危害並分泌蜜露,誘引螞蟻及誘發煤病。

2. 韌皮部桿菌 : 學名Candidatus Carsonella_DC,屬細菌的變形菌綱Class Gammaproteobacteria,韌皮部桿菌屬。

3. 韌皮部桿菌新種 : 學名Candidatus Profftella armatura,為新發現物種。

4. 隱翅蟲 : 指昆蟲隱翅蟲科的許多物種,英文以Paederus spp.表示。

5. 隱翅蟲素 : Pederin。

6. 代芬林 : Diaphorin,新發現化合物,筆者暫譯。