共生關係在自然界中廣泛存在，通過代謝通路互補、共生互利、彼此依存等方式，宿主與內共生菌協同演化以適應不同生境。蚜蟲與初級共生菌Buchnera協同演化約2億年，是國際上研究胞內共生關係的重要模式。蚜蟲以氨基酸含量稀少的植物韌皮部汁液為食，Buchnera能將非必需氨基酸轉化成必需氨基酸提供給蚜蟲，促進蚜蟲生長發育。然而，由於穩定的內共生環境和嚴格的垂直傳播路徑，Buchnera的基因組急劇減小，有害突變持續積累，導致Buchnera的基因功能退化，常在高溫等環境脅迫下表現出不穩定性，不利於蚜蟲種群發生。為了彌補初級共生菌的功能缺陷，蚜蟲通常會涵養一種或多種兼性共生菌，以增強蚜蟲種群的環境適應性。

2024年12月10日，必威精装版app西汉姆联 孫玉誠研究組在美國科學院院刊PNAS上發表題為“A complete DNA repair system assembled by two endosymbionts restores heat tolerance of insect host”的研究論文，發現蚜蟲兼性共生菌Serratia通過與初級共生菌Buchnera形成互補的DNA錯配修複係統，降低初級共生菌基因組的突變發生頻率，提高熱脅迫下小熱激蛋白ibpA的轉錄效率，抑製菌胞細胞骨架actin發生變性聚集，從而增強蚜蟲種群的高溫耐受力（圖1）。

研究發現，Buchnera編碼的小熱激蛋白ibpA是維持菌胞熱穩定性和蚜蟲高溫耐受力的關鍵蛋白。在蚜蟲經曆熱脅迫後，ibpA與菌胞的細胞骨架actin發生互作，避免actin變性聚集，從而提高菌胞熱穩定性。然而，ibpA啟動子區連續11個腺苷酸極易發生單核苷酸缺失突變，不利於ibpA的熱誘導表達。兼性共生菌Serratia的侵染可以顯著降低Buchnera基因組中的突變頻率，抑製ibpA啟動子區單核苷酸缺失的產生，從而維持ibpA熱誘導效率，提高蚜蟲的高溫適應性。進一步研究表明Serratia編碼的DNA錯配修複核心蛋白mutH，能夠彌補該基因在Bucherna基因組中的缺失，進入菌胞與Buchnera編碼的錯配修複關鍵蛋白mutL和mutS組建完整的、有活性的DNA修複係統。借助這種異源組建的錯配修複係統，識別和矯正Buchnera DNA複製過程中的錯配，有效降低SNP和Indel出現的頻率，幫助ibpA修複啟動子區域連續11個腺苷酸產生的點突變，提升高溫下分子伴侶的轉錄效率（圖2）。該研究明確了蚜蟲兩種共生菌在DNA錯配修複係統上的功能互補，降低共生菌熱激蛋白的突變頻率，進而促進蚜蟲種群的高溫適應性。

必威精装版app西汉姆联 博士研究生淩曉雨和郭慧娟副研究員為共同第一作者，孫玉誠研究員為通訊作者，研究得到國家重點研發計劃（2023YFD1400800）等項目的支持。

Ling XY^#,Guo HJ^#,Di J,Xie LQ,Shi QY,Zhu-Salzman K,Ge F,Zhao ZH,Sun YC*. 2024. A complete DNA repair system assembled by two endosymbionts restores heat tolerance of insect host. PNAS. 121 (51) e2415651121.

文章鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2415651121.

圖1. 內共生菌之間的協作增強蚜蟲種群的高溫耐受力

圖2. 蚜蟲共生菌Serratia通過降低熱激蛋白ibpA啟動子區單核苷酸突變，增強蚜蟲種群的高溫耐受力。