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発表・掲載日:2018/01/18

害虫の殺虫剤抵抗性は共生細菌を介してあっという間に発達する

-殺虫剤抵抗性の害虫発生を未然に防ぐ新たな技術開発に向けて-

ポイント

  • 害虫の殺虫剤抵抗性は、共生細菌を介することで従来考えられていたよりも急速に出現する
  • 2回の殺虫剤散布で土壌中の殺虫剤分解菌が増え、害虫カメムシに感染して殺虫剤抵抗性を与える
  • 殺虫剤抵抗性の害虫の発生を未然に防ぐ新たな技術開発への貢献に期待


概要

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)生物プロセス研究部門【研究部門長 田村 具博】環境生物機能開発研究グループ 伊藤 英臣 研究員、菊池 義智 主任研究員、環境管理研究部門【研究部門長 田中 幹也】環境微生物研究グループ 佐藤 由也 研究員、堀 知行 主任研究員らは、国立研究開発法人 農業・食品産業技術総合研究機構【理事長 井邊 時雄】、沖縄県農業研究センター【所長 新里 良章】と協力して、わずか数回殺虫剤を使用しただけで土壌中の殺虫剤分解菌が増殖し、これを害虫であるホソヘリカメムシが体内に取り込むことで、従来考えられていたよりも急速に害虫の殺虫剤抵抗性が発達することを明らかにした。

 これまでに産総研ではホソヘリカメムシが殺虫剤を分解できる土壌細菌に感染すると、殺虫剤抵抗性を獲得することを発見していた。今回、土壌への殺虫剤散布試験と害虫カメムシの飼育実験を組み合わせた複合解析によって、殺虫剤をどれくらい使用すると土壌中に殺虫剤分解菌が増殖し、どれくらいの殺虫剤散布の頻度で害虫カメムシが土壌中の分解菌を体内に取り込んで殺虫剤抵抗性になるのかを初めて実験的に明らかにした。害虫における殺虫剤抵抗性の発達を未然に防ぐ新たな農地管理技術の開発につながることが期待される。

 この成果は、近く英国の学術誌 The ISME Journal (Nature Publication Group)にオンライン掲載される。

ダイズ害虫のホソヘリカメムシ(左)と土壌から単離した殺虫剤分解菌のコロニー(右)の写真
ダイズ害虫のホソヘリカメムシ(左)と土壌から単離した殺虫剤分解菌のコロニー(右)


開発の社会的背景

 殺虫剤は欠かすことのできない文明の利器であるが、20世紀中頃以降、殺虫剤の継続的使用で出現する”殺虫剤抵抗性”が、農作物に深刻な被害をもたらす農業害虫や重篤な感染症を媒介する衛生害虫について次々と報告されており、世界的に大きな問題となっている。ひとたび殺虫剤抵抗性が発達してしまうと、それまで使用していた殺虫剤はほとんど使えなくなってしまう。一方、新たな殺虫剤の開発には多大な時間と労力を要することから、害虫の抵抗性の発達により農作物の食害や感染症の流行が甚大化してしまう。そのため、殺虫剤抵抗性害虫の発生を未然に防ぐことは喫緊の世界的課題であり、殺虫剤抵抗性の発達メカニズムの解明が求められている。

研究の経緯

 共生細菌を持つほとんどの昆虫では、共生細菌は母から子へと直接伝えられるが、ダイズを食害する農業害虫のホソヘリカメムシは、幼虫時に土壌からバークホルデリアという共生細菌を獲得する。産総研では、このユニークな共生系に着目して、共生の仕組み(2013年6月11日2015年9月1日産総研プレス発表)や、害虫の殺虫剤抵抗性との関係(2012年4月24日産総研プレス発表)など、さまざまな研究に取り組んできた。以前から殺虫剤の連続散布により土壌中の殺虫剤分解菌が集積することが知られていたが、どの程度の使用頻度で土壌中の殺虫剤分解菌が増えるのか、どの程度の使用頻度で殺虫剤分解菌に感染したホソヘリカメムシが現れ始めるのか、という点についてはこれまで研究されていなかったため、今回その解明に取り組んだ。なお本研究は、独立行政法人 日本学術振興会の科学研究費助成事業による支援を受けて行った。

研究の内容

 ホソヘリカメムシは東南アジアを中心に広く分布し、ダイズやアズキを食害するマメ科作物の重要害虫として知られている。ホソヘリカメムシは消化管の後端部に共生細菌バークホルデリアを高密度で保持する組織(共生器官)を持つ(図1)。

ホソヘリカメムシの消化管の写真。左側が口側、右側が肛門側。
図1 ホソヘリカメムシの消化管。左側が口側、右側が肛門側。

 フェニトロチオン(MEP)は汎用の有機リン系殺虫剤の一つであり、世界中で使用されている。土壌に普遍的に生息するバークホルデリアの中にはMEPを分解して炭素源として利用するものがいることが知られており、MEPの連続散布により土壌中のバークホルデリアが増殖することが古くから報告されている。これまでに産総研は、MEPを分解できるバークホルデリアに感染したホソヘリカメムシが、殺虫剤抵抗性を獲得することを発見していた。今回、殺虫剤の散布頻度とホソヘリカメムシへの殺虫剤分解菌の感染頻度との関係性を明らかにするため、植物苗用のポットに土壌を詰め、散布前の土壌中と、農薬使用推奨範囲内の量のMEPを1週間に1回の頻度で2~6回散布した土壌中とのMEP分解菌の密度と、土壌中の細菌の群集構造(複数の細菌種が混在する集団の中の、細菌の種類と比率)を解析した。さらに、これらの土壌を用いてホソヘリカメムシの幼虫を飼育し、MEP分解菌への感染率や腸内細菌の群集構造を調べた。

 散布前の土壌でホソヘリカメムシを育てた場合、MEP分解菌に感染した個体は検出されなかったが、MEPを2回以上散布した土壌で育てた個体群からは感染個体が検出された(図2a)。散布前の土壌ではMEP分解菌は検出されず、殺虫剤の散布を重ねるに従って、土壌中のMEP分解菌密度が増えており(図2b)、分解菌密度が増えると、ホソヘリカメムシのMEP分解菌感染率も上昇し、6回散布した土壌では92 %の個体がMEP分解菌に感染していた(図2a)。特に、土壌に2回散布しただけでMEP分解菌に感染したホソヘリカメムシが現れた点は注目される(図2a)。このときの土壌中のバークホルデリアの割合は細菌群集全体のわずか0.04 %にもかかわらず(図2d)、MEP分解菌の感染は非常に高い効率で起きていた(図2a, c)。従来、害虫の殺虫剤抵抗性は、徐々に集団中の抵抗性個体数が増加して、何世代もかけてゆっくりと発達すると考えられてきたが、今回、害虫の殺虫剤抵抗性が土壌中の共生細菌を介して急速に発達することを初めて示した。これまで考えられていたよりもはるかに速く、集団レベルで殺虫剤抵抗性が顕在化してしまう危険性があることを示唆する。

土壌と害虫間での殺虫剤分解菌の動態の図
図2 土壌と害虫間での殺虫剤分解菌の動態

 また、数十年間に渡り、年に数回の頻度で継続的にMEPが利用されてきた南西諸島のサトウキビ畑において、土壌とカンシャコバネナガカメムシ(サトウキビの重要害虫)の調査を行ったところ、全体的な傾向としては今回の室内実験と同様に、土壌中の殺虫剤分解菌の密度が高い畑ほど、殺虫剤分解菌に感染した害虫が多いことが示された(図3)。殺虫剤の散布頻度がそれほど高くなく、他の条件にも結果が左右されうる野外環境でも室内実験と同様の傾向が見られたことから、野外環境でもMEPを高い頻度で連続散布して、土壌中の殺虫剤分解菌の密度が増えれば、共生細菌による害虫の急速な殺虫剤抵抗性化が起こりうると考えられる。

 これらの結果は、殺虫剤の過剰散布が「共生細菌による害虫の殺虫剤抵抗性化」を大きく促進する危険性を示す。一般的に殺虫剤は、主に農作物への残留や周辺環境への汚染を考慮してその使用が制限されているが、土壌中の細菌群集への影響や、散布による害虫の急速な殺虫剤抵抗性の獲得も考慮することが望ましい。今回の室内実験と野外調査から、害虫が殺虫剤分解菌に感染するために必要な土壌中の分解菌の密度(感染閾値いきち)を見積もることもできるので、共生細菌によるホソヘリカメムシの殺虫剤抵抗性獲得を抑制するためのリスク評価の指標も提供できる。

サトウキビ畑における、土壌中の殺虫剤分解菌密度と害虫への感染率の図
図3 サトウキビ畑における、土壌中の殺虫剤分解菌密度と害虫への感染率
(a)サトウキビ害虫のカンシャコバネナガカメムシの成虫
(b)各畑の土壌中の分解菌密度と害虫カメムシの分解菌への感染率の相関グラフ

今後の予定

 今後は、殺虫剤分解菌によるホソヘリカメムシ体内の解毒機構の分子メカニズム解明など、よりミクロな見地からの解析も加え、「共生細菌による害虫の殺虫剤抵抗性化」の総合的な理解を目指す。また、バークホルデリアと共生する他種の害虫カメムシも、土壌由来の共生細菌によって急速に殺虫剤抵抗性を獲得するのかを検証する。今回の成果は、殺虫剤抵抗性害虫の発生を未然に防ぐ新たな害虫防除技術の開発につながる可能性があり、そのような観点からの研究も展開していく予定である。



用語の説明

◆殺虫剤抵抗性
害虫が有効量の殺虫剤に耐える性質のこと。大量合成された殺虫剤が世界的に使用され始めた20世紀中頃以降からさまざまな害虫において見いだされるようになり、現在では約500種類以上の害虫について何らかの殺虫剤に対する抵抗性が報告されている。抵抗性の主な機構としては、害虫自身の薬物排出機構の強化、殺虫剤標的(酵素や受容体など)の構造変化、解毒能力の向上などが知られる。また、集団中でほとんどいなかった抵抗性を持った個体が、殺虫剤の連続使用により淘汰とうたされる(生き残って優先的に子孫を残す)ことで、集団レベルで殺虫剤抵抗性が発達すると考えられている。[参照元へ戻る]
◆共生細菌
動植物の体内や体表面に生息する細菌のこと。中には宿主生物の生理活性に影響を与え成長促進や生殖能力向上といった、宿主生物の成長や繁殖にとって重要な働きを示すものも知られている。農業害虫、衛生害虫、家屋害虫など多くの害虫が共生細菌を保有しており、不足栄養素(アミノ酸やビタミン)の補償や難分解性食物(木質セルロースやリグニン)の消化といった栄養代謝や、食物に含まれる有害成分(テルペノイド類やフェノール類)の解毒といった宿主の生存に必要不可欠な働きを示す共生細菌も多い。[参照元へ戻る]
◆バークホルデリア
プロテオバクテリア門に属するグラム陰性細菌の一種。土壌に普遍的にみられる細菌グループであり、殺虫剤などの合成化合物を分解できるものも多く見いだされている。[参照元へ戻る]
◆殺虫剤分解菌の集積
殺虫剤を分解する細菌の中には、ただ分解するだけでなく分解産物を自らの栄養源として利用するものも知られている。そうした殺虫剤分解菌にとって殺虫剤はいわば格好の食べ物であり、殺虫剤が散布された場合、殺虫剤を分解できない細菌よりも優先的に増殖できる。これによって殺虫剤散布により殺虫剤分解菌の生息密度が高まって集積する。[参照元へ戻る]
◆フェニトロチオン(MEP)
国内外で最も大量に使用されている殺虫剤の一つで、代表的な有機リン系殺虫剤である。昆虫の神経毒であり、昆虫のアセチルコリンエステラーゼ活性を阻害して殺虫作用を示す。農耕地、資材用森林、街路樹、ゴルフ場、一般家庭などで幅広く使用され、さまざまな害虫の駆除に用いられている。[参照元へ戻る]


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