蚜蟲與初級共生菌Buchnera協(xié)同演化約2億年，是國際上研究胞內(nèi)共生關(guān)系的重要模式。蚜蟲以氨基酸含量稀少的植物韌皮部汁液為食，Buchnera可將非必需氨基酸轉(zhuǎn)化成必需氨基酸提供給蚜蟲進而促進蚜蟲生長發(fā)育。由于穩(wěn)定的內(nèi)共生環(huán)境和嚴(yán)格的垂直傳播路徑，Buchnera的基因組急劇減小，有害突變持續(xù)積累，導(dǎo)致Buchnera的基因功能退化，在高溫等環(huán)境脅迫下表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，不利于蚜蟲種群發(fā)生。通常，為了彌補初級共生菌的功能缺陷，蚜蟲會涵養(yǎng)一種或多種兼性共生菌，以增強蚜蟲種群的環(huán)境適應(yīng)性。
12月10日，中國科學(xué)院動物研究所孫玉誠研究組在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表了題為A complete DNA repair system assembled by two endosymbionts restores heat tolerance of insect host的研究論文。研究發(fā)現(xiàn)，蚜蟲兼性共生菌Serratia通過與初級共生菌Buchnera形成互補的DNA錯配修復(fù)系統(tǒng)，降低初級共生菌基因組的突變發(fā)生頻率，提高熱脅迫下小熱激蛋白ibpA的轉(zhuǎn)錄效率，抑制菌胞細(xì)胞骨架actin發(fā)生變性聚集，從而增強蚜蟲種群的高溫耐受力。
研究發(fā)現(xiàn)，Buchnera編碼的小熱激蛋白ibpA是維持菌胞熱穩(wěn)定性和蚜蟲高溫耐受力的關(guān)鍵蛋白。在蚜蟲經(jīng)歷熱脅迫后，ibpA與菌胞的細(xì)胞骨架actin發(fā)生互作，避免actin變性聚集，從而提高菌胞熱穩(wěn)定性。而ibpA啟動子區(qū)連續(xù)11個腺苷酸極易發(fā)生單核苷酸缺失突變，不利于ibpA的熱誘導(dǎo)表達(dá)。兼性共生菌Serratia的侵染可以降低Buchnera基因組中的突變頻率，抑制ibpA啟動子區(qū)單核苷酸缺失的產(chǎn)生，進而維持ibpA熱誘導(dǎo)效率，提高蚜蟲的高溫適應(yīng)性。
進一步，研究顯示，Serratia編碼的DNA錯配修復(fù)核心蛋白mutH，能夠彌補該基因在Bucherna基因組中的缺失，并進入菌胞與Buchnera編碼的錯配修復(fù)關(guān)鍵蛋白mutL和mutS組建完整的、有活性的DNA修復(fù)系統(tǒng)。這種異源組建的錯配修復(fù)系統(tǒng)，可以識別和矯正Buchnera DNA復(fù)制過程中的錯配，降低SNP和Indel出現(xiàn)的頻率，幫助ibpA修復(fù)啟動子區(qū)域連續(xù)11個腺苷酸產(chǎn)生的點突變，提升高溫下分子伴侶的轉(zhuǎn)錄效率。
上述研究發(fā)現(xiàn)了蚜蟲兩種共生菌在DNA錯配修復(fù)系統(tǒng)上功能互補，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(yīng)性。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃等的支持。
論文鏈接
蚜蟲共生菌Serratia通過降低熱激蛋白ibpA啟動子區(qū)單核苷酸突變，增強蚜蟲種群的高溫耐受力
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