Research

Mechanisms of chemical communication underlying division of labor in social insects

社会性昆虫の労働分業を支える化学コミュニケーションのメカニズム


     Eusocial insects have the specialized behavioral and morphological groups (i.e. castes) within a colony  and individuals from each caste engage in caste-specific tasks to maintain the colony.  Their sophisticated colony organization of these insects is primarily maintained through the utilization of pheromones, which are also likely involved in all social activities such as foraging, sexual behavior, colony defense, and nestmate recognition. 

     I'm interested in the evolutionary processes of pheromone communication systems and the caste- and sex-specific gene expression patterns in social insects to know where the pheromones come from, what role they are playing in social interactions, and what kind of molecular mechanism enables caste (or sexual) division of labor based on pheromone communications.

＜日本語訳＞

     真社会性昆虫のコロニーの中には特定の役割に行動・形態的に特化した個体のグループ（カースト）がおり、各カーストに属する個体はそれぞれ、コロニーを維持するため異なる仕事に従事しています。彼らの洗練されたコロニー体制は主にフェロモンを用いることによって維持され、採餌場所伝達や配偶行動、コロニー防衛、巣仲間認識といった全ての社会行動にフェロモンが関わっていると言われています。

     社会性昆虫のフェロモンの起源は何なのか、社会的相互作用の中でどのような役割を担っているのか、そしてどのような分子メカニズムによってフェロモンコミュニケーションを基盤としたカースト（または性）分業が可能となっているのかを知るため、私は社会性昆虫におけるフェロモンコミュニケーションシステムの進化プロセス、およびカースト・性特異的な遺伝子発現パターンに興味を持って研究しています。

Multifunctional roles of soldier pheromone in a termite 

シロアリの多機能な兵蟻フェロモン

      The colony organization of social insects is characterized by pheromonal communication. Because the capacity to biosynthesize chemicals is limited and costly, evolutionary pressures on these insects have potentially led to the use of a single compound parsimoniously for multiple purposes. 

     This study revealed that a fungistatic volatile sesquiterpene secreted by soldiers is used for inhibiting soldier differentiation, arresting workers (Mitaka et al. 2017), and presenting a soldier's age (Mitaka & Matsuura 2020) in the Japanese subterranean termite, Reticulitermes speratus. It suggests that soldiers protect the colony from not only predators but also pathogens, and a soldier-specific compound has evolved as a soldier pheromone. This is the first study to identify the termite soldier pheromone and to demonstrate its multifunctionality. 

＜日本語訳＞

     社会性昆虫の複雑な社会はフェロモンを用いたコミュニケーションによって支えられています。フェロモン分子を一から生合成するのは限界がありコストもかかるため、社会性昆虫では、同じ化合物（群）を複数の目的のために使い回すよう選択圧がかかってきたと考えられています。

     この研究では、ヤマトシロアリ（Reticulitermes speratus）の兵蟻から分泌されている静菌作用を持った揮発性テルペンが、兵蟻分化抑制フェロモンとしてもワーカー拘束フェロモンとしても機能し（Mitaka et al. 2017）、さらに兵蟻の年齢を反映している（Mitaka & Matsuura 2020）ことを突き止めました。この結果は、兵蟻が捕食者のみならず病原菌からもコロニーを防衛していることを示唆しており、また、もともと兵蟻特異的な抗菌物質だったものが兵蟻の存在を他個体に知らしめす「兵蟻フェロモン」として進化してきたことも強く示唆しています。兵蟻フェロモンの同定に成功し、かつその多機能性を実証した研究は、本研究が世界で初めてとなります。


Aggregation pheromones in termite workers

シロアリのワーカーの集合フェロモン

     Social insects such as ants, bees and termites are the representative examples that an enormous number of individuals lives in a group. But, how do they form the group? In some ant species, queen pheromones make the workers gather around the queen. However, in termites, which workers can gather each other even without queens, how do the workers gather together?

     Our study revealed that workers of the termite Reticulitermes speratus emit an aggregation pheromone consisted of 6 compounds, which synergistically attract workers from a distance (attractant activity) and then arrest them at the pheromonal source for a long time (arrestant activity) (Mitaka et al. 2020). It is estimated that this pheromone enables termite workers to gather many other workers in a new edible wood, and to efficiently exploit and sanitize the new area.

     Our recent work has also revealed that the workers of the Formosan termite Coptotermes formosanus also possess an aggregation pheromone. Although the components responsible for the attractant activity have not yet been identified, only the arrestant components consisting of four fatty acids have been identified. In addition, this arrestant activity is enhanced by the addition of cuticular hydrocarbons and cholesterol (Mitaka et al. 2024).

     Termite aggregation pheromone can be applied to the termite-attracting trap.

＜日本語訳＞

     アリやハチ、シロアリといった社会性昆虫といえば、夥しい数の個体が群れて生活している生き物の代表例ですが、そもそも彼らはどのような方法で群れを形成しているのでしょうか？アリの女王フェロモンには、ワーカーを女王の周りに侍らせる機能があるものもあります。しかしシロアリのように、女王がいなくてもワーカーだけで集まることのできる種は、どのようなメカニズムで集まっているのでしょうか？

     我々の研究で、ヤマトシロアリのワーカーは6種類の成分からなる集合フェロモンを体外に放出し、離れた所にいる他のワーカーを誘引し（誘引活性）、かつ匂い源に長時間留めさせる（拘束活性）ことが明らかとなりました（Mitaka et al. 2020）。このフェロモンによって、ヤマトシロアリのワーカーは新しく見つけた餌木に巣仲間を多数呼び、効率的な餌木の開拓や、（抗菌物質等による）新たな居住区の滅菌消毒が可能となっていると推測されます。

　また、最近の我々の研究でイエシロアリ（Coptotermes formosanus）のワーカーも集合フェロモンを持っていることが明らかとなりましたが、誘引活性を担う成分はまだ未同定で、4種類の脂肪酸からなる拘束成分のみが同定されました。この拘束活性は体表炭化水素やコレステロールの追加により強化されることも明らかとなりました（Mitaka et al. 2024）。

　これらの集合フェロモンを応用すれば、シロアリ誘引トラップの開発も実現するかもしれません。


Antimicrobial agents in termites

シロアリの抗菌物質

     Because termite colonies are composed of large families with close relatives, colony members are at risk of being collectively infected by the same pathogens. It is considered that termites have developed the ability to produce a wide variety of antimicrobial substances.

     We have also identified the antimicrobial substances produced by termites. We have found that, in Reticulitermes speratus, the forage workers (workers that leave the center of the nest to search for new food) and soldiers possess melein, which has a broad antimicrobial spectrum (Mitaka et al. 2019), and that the foraging workers also secrete phenylacetic acid inside the nest, and it inhibits the germination and mycelial growth of entomopathogenic fungi and termite egg-mimicking fungus (termite ball) (Nakashima, Mitaka et al. 2024).

＜日本語訳＞

　シロアリのコロニーは血縁関係にある大家族から成るので、コロニーメンバーは同じ病原体に集団感染するリスクを背負っています。そのためシロアリには様々な種類の抗菌物質を生産できるよう発達してきたと考えられています。

　我々はシロアリが生産する抗菌物質の同定も行なってきました。これまでヤマトシロアリの採餌ワーカー（新たな餌を探しに巣の中心から離れて探索する役割を持つワーカー）や兵蟻が、幅広い抗菌スペクトルを持つと言われているメレインを持っていることや（Mitaka et al. 2019）、採餌ワーカーが巣内部でフェニル酢酸を分泌して、昆虫病原糸状菌やシロアリ卵擬態菌核菌（ターマイトボール）の発芽や菌糸成長を抑制すること（Nakashima, Mitaka et al. 2024）を明らかにしてきました。


Development of media for rearing termites

シロアリ飼育用培地の作成

　In order to conduct termite experiments indoors over a long period of time, it is of course necessary to have a food source that has a low risk of infecting termites with pathogens and that can be fed for a long period of time without problems. Even if the same rearing experiment is conducted with the same species, if the rearing food used differs between researchers, it is impossible to deny the possibility that the difference in food may affect the results of the experiment. However, until now there has been no standardization of termite food types among researchers, and in many cases, crushed termite nest materials collected in the field (which carry the risk of contamination with pathogens) were used as food.

　To solve this problem, my supervisor during my doctoral studies developed an optimal food medium for long-term rearing of termites based on the brown-rotted wood of Japanese red pine, which is a favorite nesting habitat of Reticulitermes speratus. Recently, a recipe for the preparation of the medium has been established. This medium is called "BPC (Brown-rotted Pinewood mixed Cellulose) medium," which is made by crushing, sterilizing, and yeast-fermenting brown-rotted wood of the Japanese red pine and mixing it with cellulose powder. I showed that the BPC medium is suitable for the establishment of colonies of R. speratus alates, that it maintains a high survival rate of the worker groups, and that many workers congregate on this medium (Mitaka et al. 2023).

　In addition, I also confirmed that this method can be applied to species other than the Japanese red pine, and I have also found that brown-rotted wood of pine and elm, where two American termite species (R. flavipes and R. virginicus) closely-related to R. speratus  often nest, can be used to produce media suitable for long-term rearing of these two species, i.e., BPC medium and BEC (Brown-rotted Elm wood mixed Cellulose) medium (Mitaka & Vargo 2023).

＜日本語訳＞

　室内でシロアリの実験を長期間にわたって行うためには、当然、シロアリが病原菌に感染するリスクが低く、かつ長期間摂食させても問題ない餌が必要です。また、同じ種で同じ飼育実験をしたとしても、研究者間で飼育に用いていた餌が違えば、餌の違いが実験結果に影響してる可能性を否定しきれません。しかしながら、これまで研究者の間でシロアリの餌の種類は規格化されておらず、（雑菌の混入のリスクがある）野外で採ったシロアリの巣材を砕いたものを餌として使っていたケースも多くありました。

　この問題を解決するため、私が博士課程時代の指導教官は、ヤマトシロアリ（R. speratus）が好んで営巣するアカマツの褐色腐朽材をベースに、本種の長期飼育に最適な餌培地の開発を行ってきました。そして最近、その餌培地作成のレシピが確立されました。アカマツ褐色腐朽材を破砕・滅菌・イースト発酵させて作った粉末にセルロース粉末を混ぜてできたこの餌培地は「BPC（Brown-rotted Pinewood mixed Cellulose）培地」と呼ばれ、私はBPC培地が、ヤマトシロアリの羽蟻のコロニー創設に適していること、ワーカー集団の生存率を高く維持すること、そしてこの培地にワーカーが多く集まることを示しました（Mitaka et al. 2023）。

　ちなみにこの培地作成法はアカマツ以外の樹種にも適用可能で、私はアメリカに生息するヤマトシロアリの近縁種（R. flavipesとR. virginicus）が営巣するマツやニレの褐色腐朽材でも、上記2種を長期間飼育するのに適した培地、すなわちBPC培地とBEC（Brown-rotted Elm wood mixed Cellulose）培地を作れることを確認しました（Mitaka & Vargo 2023）。


Termite attractants in wood

木材中のシロアリ誘引物質

     It has long been known that termites prefer wood, but what they use as a cue to locate wood in the field has never been investigated. We expected that the BPC medium (see "Development of media for rearing termites" section) would contain termite attractants derived from the Japanese red pine, because the BPC medium made from decaying Japanese red pine wood attracts workers of the termite Reticulitermes speratus, and we searched for such attractants.

     As a result, we found that the BPC medium contained dehydroabietic acid, a component of resin acid abundant in conifers (especially pines), which has a worker attractant activity. Since dehydroabietic acid is soluble in water, it is assumed that this compound leaches from decaying pine wood into the soil in the field, and that foraging workers, who search for decaying wood while digging underground tunnels, use it as a clue to reach decaying pine wood. However, since the R. speratus nests in species other than pines (including hardwoods), it is likely that they also use some substance other than dehydroabietic acid as a chemical cue in their search for wood.

＜日本語訳＞

　シロアリが木材を好むことは古くから言われてきましたが、彼らが野外で何を手掛かりにして木材を探し当てているのかについては、全く調べられていませんでした。我々は、前述のアカマツの朽木から作られたBPC培地にヤマトシロアリのワーカーが集まることから、このBPC培地にアカマツ由来のシロアリ誘引物質が含まれていると予想し、その誘引物質を探索しました。

　その結果、BPC培地にはデヒドロアビエチン酸という、針葉樹（特にマツ類）に豊富に含まれる樹脂酸の成分の一つにワーカー誘引活性があることが分かりました。デヒドロアビエチン酸は水に溶けるため、野外ではマツの朽木からこの化合物が土へ滲み出ており、地下でトンネルを掘り進めながら朽木を探索している採餌ワーカーは、それを手掛かりにマツの朽木へと辿り着くのだと推測しています。ただ、ヤマトシロアリはマツ以外の樹種（広葉樹も含む）にも営巣するため、デヒドロアビエチン酸以外の何らかの物質も、木材を探す化学的手掛かりとして用いていると考えられます。


Dehydroabietic acid ... Mitaka et al. (2024) Applied Entomolgy and Zoology

Termite royal food

シロアリのロイヤルフード

     Queens and kings of social insects are known to have much longer life spans than solitary insects. Termite kings and queens are also presumed to have very long life spans, but there is still much mystery as to how they achieve their longevity without losing their reproductive capacity. In termites, however, workers with gut symbionts eat wood, while the kings and queens do not eat wood (because they do not have gut symbionts), but they live off the food they receive from their caretaker workers, who feed them by mouth. We therefore expected that the secret of their longevity might be hidden in their special food (royal food), so we collected royal food and analyzed its chemical composition in Reticulitermes speratus. The royal food carried by the workers was so small (bite size of king and queen) that it was necessary to skim it from the caretaker workers dozens of times in order to collect enough for compositional analysis.

     As a result, we discovered that there are two types of royal food, one for the king (king food) and one for the queen (queen food), and that workers produce and feed them separately. It was also found that king and queen foods contain a number of special ingredients that are not found in workers or soldiers, some of which are specific to each king and queen food, and some of which are common to both. Furthermore, we found that at least some of these ingredients were produced by the metabolism of cellulose that workers ate. Future elucidation of the functions of these royal food-specific ingredients will bring us one step closer to the secret of the longevity of kings and queens.

＜日本語訳＞

　社会性昆虫の女王や王は単独性昆虫よりも遥かに長寿であることで知られています。シロアリの王と女王もとても長い寿命を持つと推定されていますが、どのようにして彼らが繁殖能力を落とさずに長寿命を実現しているのかについては、まだ謎が多く残されています。ただ、シロアリでは木材を食べるのは腸内共生微生物を後腸に持つワーカーであり、王と女王は（腸内共生微生物をもたないため）木材を食べずに、世話係のワーカーから口移しで貰う餌を食べて生活しています。そのため、我々はこの王と女王の専用の餌（ロイヤルフード）に長寿の秘密が隠されているのではないかと考え、ヤマトシロアリのロイヤルフードを集め、その化学組成の分析を試みました。ワーカーが運ぶロイヤルフードはシロアリの王・女王の一口サイズであるが故に極微量で、成分分析可能な量を集めるには、何十回も世話係のワーカーからロイヤルフードをかすめとる必要がありました。

　その結果、ロイヤルフードは王専用のもの（キングフード）と女王専用のもの（クイーンフード）の2種類があり、ワーカーはそれらを区別して生産・給餌していることが判明しました。そして、キングフードとクイーンフードには、ワーカーや兵蟻には含まれていない特別な成分が多数含まれており、その中にはキングフードとクイーンフードそれぞれに特異的に含まれている成分や、共通して含まれている成分があることが分かりました。さらに、少なくともこれらの一部の成分は、ワーカーが食べたセルロースが代謝されて作られたものであることが分かりました。これらロイヤルフード特異的に含まれる成分の機能を今後解明していけば、王と女王の長寿の秘密に一歩近づけることが期待できます。


Tasaki, Mitaka et al. (2023) PNAS Nexus

Caste-specific gene expressions in termites

シロアリのカースト特異的な遺伝子発現

     In termite societies, the king and queen concentrate on reproduction, soldiers defend their colony, and workers take charge of multiple tasks such as foraging, hygiene management and caring for queen and broods. Unlike social hymenoptera (ants, bees and wasps), termite castes consist of both sexes, and both male and female are engaged in works together. Accordingly, it is predicted that different castes and sexes show caste- and sex-specific expressions in various gene groups. 

     By using RNA-seq analysis for all castes in Reticulitermes speratus, I and my collaborators revealed the caste-, sex-, and age-specific expression patterns of chemoreception-related genes. This trend was also shown in various gene groups including immune-related, epigenetic modification-related, and DNA repair-related genes, and these results show a part of the molecular-level mechanisms of division of labor. 

＜日本語訳＞

     シロアリの社会では、王と女王が繁殖に専念しており、兵蟻がコロニー防衛を、ワーカーが採餌、巣内の衛生管理、女王と卵の世話など複数の仕事を担当しています。雌のみでコロニーを形成するハチやアリとは異なり、シロアリは全てのカーストに雌雄両方があり、雌雄ともに労働に従事しています。それゆえ、様々な遺伝子群において、カースト・性特異的な遺伝子発現パターンが見られることが予測されます。

     ヤマトシロアリの全カーストでRNA-seq解析をした結果、化学受容関連遺伝子でカースト・性・年齢特異的な発現が見られることが明らかとなりました。この他にも免疫関連遺伝子、エピジェネティック修飾関連遺伝子、そしてDNA修復関連遺伝子を含む様々な遺伝子群でも同様の傾向が見られ、遺伝子発現レベルの労働分業の仕組みの一端が見えて来ました。