蚜虫的年生活史周期中，春、夏两季营孤雌生殖，种群指数增长，极易爆发成灾。盛夏季节蚜虫的高温耐受力决定了其种群规模，高温常导致高温耐受性差的蚜虫种群崩溃。蚜虫耐受高温的限制因子取决于其初生菌胞的热稳定性，一方面，由于稳定的内共生环境和严格的垂直传播，导致初生菌胞中专性共生菌Buchnera基因组急剧减小，抗热能力下降；另一方面，涵养Buchnera的初生菌胞结构简单，在高温下易受损害。然而，次级共生菌Serratia侵染后却能够提高蚜虫高温耐受力，但调控机制一直不清楚。

    2024年12月10日，中科院动物所孙玉诚研究组在美国科学院院刊PNAS上发表题为“A complete DNA repair system assembled by two endosymbionts restores heat tolerance of insect host”的研究论文，发现蚜虫次级共生菌Serratia通过与初级共生菌Buchnera形成互补的DNA错配修复系统，降低初级共生菌基因组的突变发生频率，提高热胁迫下小热激蛋白ibpA的转录效率，抑制菌胞细胞骨架actin发生变性聚集，从而增强蚜虫种群的高温耐受力（图1）。

图1. 内共生菌之间的协作增强蚜虫种群的高温耐受力

    研究发现，Buchnera编码的ibpA是维持菌胞热稳定性和蚜虫热耐受力的关键蛋白。在蚜虫经历热胁迫后，ibpA与菌胞的细胞骨架actin发生互作，避免actin变性聚集，从而提高热稳定。然而，ibpA启动子区连续11个腺苷酸极易发生单核苷酸缺失突变，不利于ibpA的热诱导表达。次级共生菌Serratia的侵染可以显著降低Buchnera基因组中的突变频率，抑制ibpA启动子区单核苷酸缺失的产生，从而维持ibpA热诱导效率，提高蚜虫的高温适应性。进一步研究表明Serratia编码的DNA错配修复核心蛋白mutH，能够弥补该基因在Bucherna基因组中的缺失，进入菌胞与Buchnera编码的错配修复关键蛋白mutL和mutS组建完整的、有活性的DNA修复系统。借助这种异源组建的错配修复系统，识别和矫正Buchnera DNA复制过程中的错配，有效降低SNP和Indel出现的频率，帮助热激蛋白ibpA修复启动子区域连续11个腺苷酸产生的点突变，提升高温下分子伴侣的转录效率（图2）。该研究首次明确了蚜虫两种共生菌在DNA错配修复系统上的功能互补，进而促进蚜虫种群的热适应性。

图2. 蚜虫共生菌Serratia通过降低热激蛋白ibpA启动子区单核苷酸突变，增强蚜虫种群的高温耐受力。

    中科院动物所博士研究生凌晓雨为论文的第一作者，郭慧娟副研究员为共同第一作者，孙玉诚研究员为通讯作者，研究得到国家重点研发计划（2023YFD1400800）等项目的支持。

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. 文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2415651121.