Comparative genomics between two insect symbiotic models: Innate immune system and amino acid biosynthetic pathways of the rice weevil Sitophilus oryzae and the cedar aphid Cinara cedri
NAGIOS: RODERIC FUNCIONANDO

Comparative genomics between two insect symbiotic models: Innate immune system and amino acid biosynthetic pathways of the rice weevil Sitophilus oryzae and the cedar aphid Cinara cedri

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Comparative genomics between two insect symbiotic models: Innate immune system and amino acid biosynthetic pathways of the rice weevil Sitophilus oryzae and the cedar aphid Cinara cedri

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dc.contributor.advisor Heddi, Abdelaziz
dc.contributor.advisor Latorre, Amparo
dc.contributor.author Vargas Chávez, Carlos Alberto
dc.contributor.other Departament de Genètica es_ES
dc.date.accessioned 2019-06-28T06:31:11Z
dc.date.available 2019-06-29T04:45:05Z
dc.date.issued 2019 es_ES
dc.date.submitted 21-06-2019 es_ES
dc.identifier.uri https://hdl.handle.net/10550/70597
dc.description.abstract Los insectos se pueden encontrar en la mayoría de los ecosistemas del planeta y son capaces de aprovechar prácticamente cualquier fuente de alimento. Son el grupo de animales más diverso con un número de especies estimado en cinco millones. Todos los insectos comparten un mismo plan corporal que consiste en tres segmentos (cabeza, tórax y abdomen), tres pares de patas, un par de antenas y ojos compuestos; sin embargo, cada especie tiene partes especializadas acordes con su estilo de vida. A pesar de que los insectos son capaces de aprovechar múltiples fuentes de alimento, en múltiples ocasiones dependen de compañeros microbianos para obtener nutrientes escasos en su dieta. Por ello, la simbiosis juega un papel crucial en el desarrollo y la evolución de este grupo de animales. La unidad ecológica producto de estas asociaciones se denomina holobionte y los genomas de los participantes en la relación se conocen como el hologenoma. Estos hologenomas son propensos a sufrir pérdidas de genes duplicados entre los participantes de la interacción y también pueden sufrir transferencias de genes de un genoma al otro. En muchos casos estas interacciones también llevan al desarrollo de órganos especializados y mecanismos novedosos para regular el crecimiento de sus endosimbiontes. Además de mantener bajo control a sus endosimbiontes, los insectos deben de ser capaces de enfrentarse a numerosas infecciones. Para ello cuentan con una primera barrera que es su exoesqueleto que los protege de la invasión de la gran mayoría de los patógenos. Sin embargo, cuando esta protección falla los patógenos se enfrentan a otra barrera: el sistema inmune. A pesar de que los insectos únicamente cuentan con un sistema inmune innato, este es capaz de proteger a los insectos contra la mayoría de las infecciones. Sin embargo, un fenómeno poco estudiado es cómo se regula el sistema inmune de los insectos para protegerlos contra patógenos, pero tolerar a sus endosimbiontes. Entre los insectos no cabe duda qué los coleópteros son el orden más exitoso con un número estimado de 400,000 especies descritas. El éxito de este grupo se debe a numerosos factores, entre ellos sus cortos ciclos de vida, su alta fertilidad, su exoesqueleto altamente resistente y unas bajas tasas de extinción. De todas las familias de este orden, la familia Curculionidae es la más grande, con más de 51,000 especies descritas, posiblemente siendo la familia con más especies de entre todos los animales. La familia Dryophthoridae contiene algunos de los insectos plaga más destructivos incluyendo a los granívoros Sitophilus (Coleoptera, Dryophthoridae) que pueden causar perdidas en los cereales almacenados de entre el 25 y el 40% del peso total. De las especies de este género, el gorgojo del arroz, S. oryzae, es la más destructiva. Además de las pérdidas causadas por estos gorgojos, el polvo liberado durante su alimentación atrae a pestes secundarias que pueden acarrear micotoxinas. Al igual que otros insectos holometábolos, el ciclo de vida de S. oryzae se divide en cuatro estadios: huevo, larva, pupa y adulto. Los primeros tres estadios ocurren dentro de los granos. Las hembras hacen un pequeño orificio en el grano utilizando sus mandíbulas y depositan un huevo que posterior cubren con una secreción. Al eclosionar, la larva comienza a desarrollarse dentro del grano consumiéndolo desde el interior. Posteriormente pupa dentro del grano y emerge como un adulto. Una característica importante de los gorgojos del género Sitophilus es su asociación permanente con endosimbiontes que les proporcionan nutrientes poco abundantes en los granos. Actualmente S. oryzae mantiene una relación mutualista con Candidatus Sodalis pierantonius (de ahora en delante S. pierantonius). Estos endosimbiontes se transmiten por vía maternal y en las larvas inducen la formación de los bacteriocitos. Esta interacción se estableció recientemente (hace menos de 30,000 años) reemplazando a Nardonella, el simbionte anterior. Numerosos trabajos han demostrado que S. pierantonius aumenta las capacidades invasivas de S. oryzae al incrementar su fertilidad y capacidad de vuelo. Además, al contar con la secuencia del genoma de su genoma se ha podido inferir su metabolismo y se determinó que el endosimbionte es capaz de proveer a su hospedador con todos los aminoácidos excepto metionina, triptófano e histidina. El estudio de su genoma también permitió determinar que a diferencia de otros genomas de endosimbiontes más antiguos, este aun no experimenta una reducción tan drástica en su tamaño. Tiene un alto contenido de GC, numerosos genes pseudogenizados y un gran número de elementos móviles que abarcan el 18% de su genoma. Otro punto importante es que de determinó que S. pierantonius tiene un rol muy importante en la síntesis del exoesqueleto de los adultos a través de la tirosina y fenilalanina que proporciona al hospedador. Interesantemente, el hospedador es capaz de controlar con precisión las etapas de crecimiento de S. pierantonius permitiendo su proliferación cuando requiere mayores cantidades de tirosina. Por otra parte, los áfidos (Hemiptera, Aphididae) forman parte de un grupo de insectos con más de 5,000 especies descritas. Al ser hemípteros estos no tienen una metamorfosis completa y únicamente tienen tres estadios: huevo, ninfa y adulto. No obstante, sus ciclos de vida distan de ser simples y cuentan con adultos con diferentes morfologías. La mayoría de ellos presentan un ciclo de vida holocíclico en el cual existen varias generaciones de hembras partenogenéticas. Con la llegada del frio producen una generación de formas sexuales las cuales depositan huevos que son capaces de resistir las temperaturas extremas del invierno. Con la llegada de la primavera estos huevos eclosionan y comienza nuevamente el ciclo. Esta característica indudablemente es una de las razones de su éxito. Los áfidos también albergan endosimbiontes, la gran mayoría de ellos cuenta con Buchnera como su endosimbionte primario. Sin embargo, son capaces de albergar múltiples endosimbiontes primarios, y la subfamilia Lachninae parece ser especialmente propensa a esto. En su caso, además de albergar a Buchnera también cuentan con Serratia lo cual los vuelve excelentes modelos para estudiar la complementación endosimbiótica y el proceso por el cual un endosimbionte secundario puede pasar a ser co-primario. El género Cinara, y en especial el áfido del cedro Cinara cedri es uno de los mejor estudiados dentro de esta subfamilia. La secuenciación de ambos endosimbiontes primarios de C. cedri determinó que estos habían establecido una relación coobligada con su hospedador. Se observó que Buchnera había perdido la habilidad de producir riboflavina y triptófano. Mientras que Serratia se encarga por completo de la producción de riboflavina se descubrió que la síntesis de triptófano estaba compartida entre ambos endosimbiontes. Esto implicaba la biosíntesis de antranilato por parte de Buchnera y su transferencia a Serratia la cual se encarga de convertirlo en triptófano. Posteriormente la secuenciación de otros endosimbiontes de miembros de la subfamilia Lachninae confirmó que el consorcio Buchnera-Serratia se estableció antes de la diversificación del linaje ya que en todos los casos Buchnera contaba con un genoma pequeño y había perdido la habilidad de sintetizar riboflavina. A pesar de que estamos principalmente interesados en identificar las diferencias entre ambos modelos a causa de la edad de la relación entre el hospedador y su endosimbionte es obvio que hay múltiples diferencias que debemos tener en cuenta. Entre ellas el hábitat en el que se encuentran, su dieta, su posición taxonómica y si son holo- o hemimetábolos. Para ello incluimos otros 19 artrópodos con genomas completos disponibles. Como grupos externos se incluyeron un crustáceo, la pulga de agua Daphnia pulex, and un arácnido que a pesar de ser conocido como araña roja se trata de un ácaro, Tetranychus urticae. En cuanto a los insectos hemimetábolos incluimos varios hemípteros: (i) el áfido del cedro C. cedri que como se mencionó anteriormente alberga Buchnera y Serratia; el áfido del guisante Acyrthosiphon pisum y el áfido verde del melocotonero Myzus persicae los cuales únicamente albergan Buchnera; y el psílido asiático de los cítricos Diaphorina citri el cual alberga Candidatus Carsonella ruddii DC, los cuatro pertenecen al suborden Sternorrhyncha y se alimentan de floema; (ii) el salta hojas marrón Nilaparvata lugens del suborden Auchenorrhyncha, el cual alberga una levadura como endosimbionte y también se alimenta de floema; (iii) la chinche Cimex lectularius, la cual alberga Wolbachia y se alimenta de sangre; y (iv) el piojo Pediculus humanus el cual alberga Candidatus Riesia pediculicola y se alimenta de sangre también. De la clase Himenóptera: (i) la hormiga carpintera de Florida Camponotus floridanus; y la hormiga roja de fuego Solenopsis invicta, ambas omnívoras; (ii) la abeja europea Apis mellifera, que se alimenta exclusivamente de polen y néctar; y (iii) la avispa parasitoide Nasonia vitripennis, la cual es parasitoide de varias moscas. Entre ellos, solo C. floridanus alberga un endosimbionte, Blochmania floridanus. De los Diptera: (i) dos miembros de la familia Culicidae, el mosquito de la fiebre amarilla Aedes aegypti y Anopheles gambiae, los cuales durante su estadio larvario se alimentan de bacterias, algas y otros microorganismos y durante su etapa adulta se alimentan de néctar, mientras que las hembras también se alimentan de sangre para permitir el desarrollo de su huevos; (ii) la mosca del vinagre Drosophila melanogaster, que se alimenta de materia vegetal en descomposición; y (iii) la mosca tse-tsé Glossina morsitans, la cual se alimenta exclusivamente de sangre. Solo la mosca tse-tsé alberga un endosimbionte obligado Wigglesworthia glossinidia. De Lepidóptera: el gusano de la seda Bombyx mori, el gusano del tabaco Manduca sexta, la mariposa monarca Danaus plexippus y la palomilla dorso de diamante Plutella xylostella. Todos ellos se alimentan de las hojas de distintas plantas durante su estadio larvario y de néctar durante cuando son adultos. Ninguna de ellas tiene endosimbiontes asociados. Por último, del orden Coleóptera: (i) el barrenador esmeralda del fresno Agrilus planipennis, el escarabajo asiático de los cuernos Anoplophora glabripennis y el escarabajo del pino de montaña Dendroctonus ponderosae, los cuales se alimentan de la corteza interna y del floema de diversas especies de árboles; (ii) el escarabajo de la colmena Aethina tumida, el cual se alimenta de miel y polen; (iii) el gorgojo del arroz S. oryzae y el escarabajo rojo de la harina Tribolium castaneum que se alimentan de granos almacenados; y (iv) Nicrophorus vespilloides un escarabajo que se alimenta de cadáveres de otros animales. El único escarabajo con un endosimbionte del grupo que seleccionamos es S. oryzae. Objetivos El objetivo principal de esta tesis es comparar el sistema inmune innato y las rutas de biosíntesis de aminoácidos entre insectos que albergan endosimbiontes. Ambas rutas de señalización fueron elegidas ya que es a través de ellas que el insecto interactúa con sus endosimbiontes. Los organismos elegidos fueron el gorgojo del arroz Sitophilus oryzae y el pulgón del cedro Cinara cedri. Dichos organismos fueron elegidos ya que nos interesa identificar las diferencias en el repertorio genético de insectos con relaciones endosimbióticas con diferentes edades. Mientras que la relación entre C. cedri y Buchnera es bastante antigua (se estableció hace al menos 150 millones de años), la de S. oryzae y Sodalis pierantonius es mucho más joven, estableciéndose hace alrededor de 30,000 años. Además, contamos con la secuencia de los endosimbiontes de ambos sistemas mismos que han sido estudiados a profundidad por los grupos de Abdelaziz Heddi y Amparo Latorre. 1. El primer objetivo es obtener la secuencia del genoma de S. oryzae y anotarla para identificar los genes involucrados tanto en el sistema inmune como en el metabolismo de aminoácidos. Este grupo de genes se comparará con el repertorio de T. castaneum y Drosophila melanogaster, el modelo de los coleópteros y el de los insectos respectivamente. Esta comparación nos permitirá identificar diferencias entre un escarabajo que alberga un endosimbionte y otro que no tiene endosimbiontes. Es importante recordar que S. oryzae y T. castaneum pertenecen al mismo orden y comparten nicho ecológico. Además, la relación entre S. oryzae y S. pierantonius se estableció muy recientemente, por lo tanto, no sería sorprendente encontrar pocas diferencias entre ambos sistemas. La comparación con D. melanogaster nos permitirá identificar características que son específicas del orden Coleóptera. 2. Obtener la lista de genes involucrados en el sistema inmune innato y en la biosíntesis de aminoácidos en C. cedri utilizando la secuencia del genoma ensamblado y anotado. Dicho listado de genes se comparará con los ortólogos obtenidos en Acyrthosiphon pisum y D. melanogaster. En este caso A. pisum también alberga un endosimbionte y la comparación entre ambos áfidos nos permitirá identificar las características únicas de C. cedri a pesar de su similitud con A. pisum. Al comparar con D. melanogaster podremos identificar las características únicas de los insectos con relaciones simbióticas ancestrales que no se encuentran en el modelo de los insectos. 3. Comparar los genes involucrados en el sistema inmune o en la biosíntesis de aminoácidos entre S. oryzae y C. cedri. Esto nos permitirá alcanzar el objetivo principal de este proyecto. No obstante, existen múltiples diferencias entre ambos modelos además de la fecha del establecimiento de sus relaciones endosimbióticas. Para tomar esto en cuenta e identificar las diferencias entre ambos ocasionadas por otros factores se incluirán otros insectos en la comparación. Metodología y resultados Capítulo 1. El gorgojo del arroz Sitophilus oryzae El genoma de S. oryzae fue secuenciado con una cobertura 101X utilizando 20 adultos. El tamaño del genoma obtenido fue de 652 Mb en 17,786 scaffolds. La cantidad de elementos transponibles (48.6% del genoma) se encuentra entre las más elevadas descritas en insectos, entre ellos el mosquito tigre Aedes albopictus con 50% y la mosca Musca domestica con el 52%. Incorporando información de RNA-seq de 12 librerías generadas en diferentes condiciones y proteínas anotadas en otros coleópteros se anotó el genoma de S. oryzae. Se identificaron 17,026 modelos de genes con la predicción automática y 1,675 genes se curaron manualmente enfocándose en metabolismo, inmunidad, desarrollo, epigenética, sistema olfativo y genes transferidos horizontalmente. El número final de genes anotados en S. oryzae fue de 17,159. De ellos más del 85% tiene un ortólogo en al menos una de las especies de artrópodos incluidas en nuestro estudio. Además, determinamos que S. oryzae tiene el mayor número de genes linaje específicos dentro de los coleópteros. Esto posiblemente se encuentra asociado a la alta tasa de expansión de familias de genes que calculamos en esta especie. Utilizando una filogenia de los coleópteros utilizados en nuestro análisis identificamos las familias con evolución acelerada en cada una de las especies y con 174 familias, S. oryzae fue el escarabajo con la tasa de expansión más elevada (0.409 genes por millón de años). Este proceso podría estar ligado al alto número de elementos transponibles tal como fue descrito en las termitas. En cuanto al metabolismo de aminoácidos determinamos que la alanina y la prolina son proporcionadas por el insecto en tanto que la treonina, lisina, fenilalanina y arginina son proporcionadas por el endosimbionte. Ya que el endosimbionte ancestral únicamente era capaz de producir tirosina esto podría haberle dado una ventaja a S. pierantonius sobre Nardonella. Finalmente, la valina, leucina, isoleucina, triptófano, metionina e histidina deben ser obtenidas de la dieta. Se determine que el sistema inmune de S. oryzae es muy similar al de T. castaneum e incluso D. melanogaster. Los genes involucrados en las cascadas de señalización se encuentran conservados y las diferencias principales se encuentran a nivel de los receptores y efectores. Una de las diferencias más significativas es que S. oryzae carece del receptor PGRP-LE, lo cual podría afectar su capacidad para reconocer bacterias intracelulares, incluyendo a sus propios endosimbiontes. Otro gen no identificado en S. oryzae es la cinasa Gprk2 la cual está involucrada en la amplificación de la señal en la ruta Toll, y por ello posiblemente no es esencial. Las proteasas involucradas en el inicio de la cascada de señalización que lleva a la activación del receptor Toll no pudieron ser identificadas debido al gran número de proteasas y la dificultad para establecer relaciones de ortología entre ellas. Finalmente, se identificaron péptidos antimicrobianos, tanto aquellos descritos previamente como algunos nuevos. Capítulo 2. El áfido del cedro Cinara cedri El genoma de C. cedri fue secuenciado, ensamblado y anotado en el Centro Nacional de Análisis Genómico. El tamaño del genoma ensamblado fue de 396 Mb distribuidas en 1,740 scaffolds. A pesar de que no existen grandes diferencias entre los tamaños de los genomas de los áfidos cuyos genomas se encuentran disponibles si existen diferencias entre los números de genes identificados en cada especie. En tanto que A. pisum y M. persicae tienen un número similar de genes predichos, en C. cedri se encontraron 1,500 menos genes. Dada la alta calidad del ensamble, parece que no se trata de errores técnicos y que efectivamente C. cedri tiene un número menor de genes, sugiriendo perdidas especificas en su linaje o expansiones en la familia Aphididae a la cual pertenecen A. pisum y M. persicae. Aproximadamente el 62% de los genes en C. cedri tienen ortólogos en al menos algún otro artrópodo. Al comparar el número de genes linaje específicos de cada especie observamos que a pesar de que C. cedri tiene el menor número de genes entre los áfidos que incluimos en nuestro estudio, también tiene el mayor número de genes linaje específicos (6,449, aproximadamente el 38% de sus genes). Respecto al metabolismo de aminoácidos en el holobionte C. cedri, Buchnera proporciona la histidina, fenilalanina, lisina y treonina mientras que la serina, alanina, glutamato, glutamina, prolina, aspartato, asparagina y tirosina pueden ser sintetizadas por el insecto. La cisteína puede ser producida tanto por el insecto como por Serratia y la glicina por los tres miembros del consorcio. La valina, leucina, arginina e isoleucina son producidas por una colaboración entre C. cedri y Buchnera. El triptófano se produce por una colaboración entre Buchnera y Serratia, siendo esta una de las principales razones por las cuales ambos son endosimbiontes co-primarios. Finalmente, se ha sugerido que la metionina puede producirse a través de una colaboración entre C. cedri y Buchnera, sin embargo, esto requeriría que una enzima de C. cedri funcionara en la dirección opuesta a la que lo hace normalmente y esto nunca se ha observado en la naturaleza. La alternativa es que la metionina se obtiene de la dieta. El sistema inmune de C. cedri es muy parecido al de A. pisum con pequeñas diferencias en el número de copias de algunos genes. Entre las características que tienen en común se encuentra la ausencia de la mayoría de los genes involucrados en la señalización de la ruta IMD. Ello implica que los áfidos son incapaces de reconocer a las bacterias Gramnegativas, al menos por la principal vía descrita. Esto posiblemente permitió no solo la adquisición de Buchnera el endosimbionte primario de los áfidos, si no de múltiples endosimbiontes secundarios o co-primarios, como el caso de Serratia en C. cedri, pues al tratarse también de una bacteria Gramnegativa, esta no tendría demasiados problemas para colonizar al insecto. En el caso de C. cedri, tampoco fue posible establecer una relación clara de ortología entre las proteasas involucradas en la activación de la ruta Toll del áfido y aquellas definidas en D. melanogaster, No obstante, se sabe que la ruta esta activa, ya sea utilizando los ortólogos de las proteasas en la mosca del vinagre u otras proteasas. Finalmente, una de las diferencias más llamativas entre los áfidos y los demás insectos es la ausencia de péptidos antimicrobianos a excepción de la taumatina. Sin embargo, dado el reto que representa identificar péptidos antimicrobianos es posible que los áfidos cuenten con otras de estas moléculas que aún no han sido identificadas entre su arsenal. Otro factor interesante en C. cedri es que todos los individuos muestreados hasta la fecha cuentan con Wolbachia como endosimbionte, lo cual sugiere que tiene algún rol en la biología del insecto. Debido a que la secuencia de su genoma se obtuvo al secuenciar al insecto, esta también se analizó y no se identificaron rutas para la biosíntesis de aminoácidos ausentes en el holobionte ni rutas metabólicas que puedan ser de interés para C. cedri. El hecho de que la gran mayoría de sus genes cepa específicos están involucradas en la transposición o son proteínas hipotéticas dificulta hipotetizar sobre su rol. Capítulo 3. Comparación entre ambos modelos Para poner la comparación entre C. cedri y S. oryzae en contexto se incorporaron los otros 26 artrópodos previamente mencionados. Se identificaron 1,327 genes conservados con una ortología uno a uno entre todos los artrópodos. Además 1,478 tenían ortólogos en todos los artrópodos sin ser estrictamente uno a uno llevando a un total de 2,805 genes que formarían el genoma-núcleo de los artrópodos. Y si consideramos únicamente a los insectos se incluiría un grupo adicional de 2,578 genes que se encuentran en todos ellos, pero no en los dos artrópodos no insectos. Analizando específicamente a los coleópteros se identificó un grupo de 1,356 genes presentes únicamente en ellos y se observa una distribución más menos homogénea, sin embargo, en A. planipennis se observan solo 784 en esta categoría. Esto es especialmente interesante ya que es el linaje más antiguo dentro de los escarabajos incluidos en el estudio, sugiriendo que pudo existir una serie de duplicaciones en el ancestro de los otros coleópteros. De interés especial también es el grupo de los lepidópteros ya que se encontraron 3,106 genes específicos de su orden, el numero más grande de entre los holometábolos analizados y además el más homogéneo. En el caso de los hemimetábolos N. lugens parece representar una anomalía. Este insecto tiene un repertorio de genes muy por encima de cualquier otro incluido en el análisis. Los insectos que elegimos para este análisis viven en ambientes muy distintos y deben enfrentarse a diferentes tipos de estrés incluido obtener todos los nutrientes necesarios para su correcto desarrollo. Nosotros nos enfocamos únicamente en los aminoácidos, sin embargo, la obtención de otros factores como las vitaminas también es crucial y es sabido que los endosimbiontes participan en esa tarea. En cuanto a la síntesis de glutamato y aspartato, todos los artrópodos evaluados, así como varios endosimbiontes son capaces de producirlo. Esto no es ninguna sorpresa ya que estos aminoácidos son esenciales para la síntesis de otros aminoácidos. La glutamina, serina, glicina y cisteína también pueden ser producidas por todos los artrópodos y algunos endosimbiontes. La síntesis de prolina y alanina también esta conservada entre todos los eucariotas, incluido el endosimbionte de N. lugens. Sin embargo, no se encuentra en ningún endosimbionte bacteriano sugiriendo que estas rutas tienen una mayor relevancia en los eucariotas y que son prescindibles en los endosimbiontes bacterianos. La asparagina puede ser producida por todos los artrópodos y los simbiontes de los insectos que se alimentan de floema son incapaces de producirla, esto puede estar relacionado con el alto contenido de este aminoácido en el floema. La arginina no puede ser producida en su totalidad por ningún artrópodo, pero todos pueden producirla a partir de la citrulina. Algunos endosimbiontes pueden producirla a partir de la ornitina e interesantemente parece que los lepidópteros también tienen la habilidad de catalizar esta reacción. La lisina, metionina, valina, leucina, isoleucina y treonina no pueden producirse por ningún artrópodo, sin embargo, algunos endosimbiontes son capaces de producirla. En el caso de la lisina, aquellos que no son capaces de producirla son los endosimbiontes de insectos que se alimentan de sangre, sugiriendo que el contenido de este aminoácido en la dieta es suficiente para satisfacer los requerimientos. En el caso de los aminoácidos aromáticos, ningún artrópodo es capaz de producirlos, sin embargo, algunos endosimbiontes son capaces de producirlos. Tal es el caso del holobionte C. floridanus así como los áfidos que puede producir los tres o S. oryzae que puede producir fenilalanina y tirosina. Por último, en cuanto a la histidina Buchnera, B. floridanus, el endosimbionte de N. lugens y posiblemente C. Carsonella ruddii DC son capaces de producirla. Al comparar los sistemas inmunes de los artrópodos que seleccionamos para nuestro estudio observamos que los péptidos antimicrobianos son altamente específicos para cada orden e incluso en cada linaje. A pesar de que sabemos que la mayoría de la diversidad de estos péptidos no ha sido explorada debido a las dificultades para identificarlos podemos concluir que mientras que los áfidos únicamente cuentan con una familia de péptidos antimicrobianos los holometábolos cuentan con una gran diversidad de estos efectores. En cuanto a respuesta antiviral RNAi, todos los artrópodos cuentan con rutas mayormente completas y únicamente se observan pequeñas perdidas como las pérdidas de HPS4 y Nbr que están involucradas en la carga del miRNA en la proteína Ago1, sin embargo, se sabe que estas no son esenciales. La ruta JAK/STAT también está altamente conservada, sin embargo, un aspecto importante de esta ruta es que el principal ligando, dome, no ha sido identificado en ninguna otra especie además de la mosca del vinagre. La ruta de señalización Toll se encuentra conservada en la mayoría de los artrópodos, pero existen dificultades para identificar correctamente las proteasas involucradas en el procesamiento del ligando principal. Esto se debe sobre todo a que se trata de una familia de enzimas muy grande y establecer las relaciones de ortología entre ellas no es trivial. Un aspecto similar entre los áfidos y los coleópteros es la ausencia de ref(2)P. De entre todas las especies estudiadas en ambos grupos únicamente se identificó en A. planipennis, el grupo hermano de todos los demás coleópteros, sugiriendo que este gen se perdió tras la divergencia de estos linajes. Posiblemente el aspecto más relevante de este estudio son las grandes diferencias en la vía de señalización IMD. Los áfidos son el único grupo en el que no se encuentra CYLD, y además en ninguna especie del suborden Sternorrhyncha se encuentran ird5, imd, relish ni tab2. Dredd, Fadd, key y pirk no se encuentran en ninguno de los miembros del orden Hemíptera, por lo tanto, sugiriendo que este grupo de organismos no son capaces de identificar y posiblemente responder ante infecciones de bacterias Gramnegativas. Ya que la mayoría de los hemípteros se alimentan de dietas mayormente estériles esto podría no representar un problema demasiado grande, además ahorrando los recursos que son necesarios para mantener dicha vía del sistema inmune. Además, el hecho de no contar con la ruta IMD permite que estos insectos sean colonizados con mayor facilidad por potenciales endosimbiontes. Conclusiones generales La cantidad de repeticiones en el genoma de S. oryzae se encuentra entre las mayores observadas en otros insectos y la mayor en cualquier coleóptero estudiado. El número de elementos móviles posiblemente ha propiciado que sea el escarabajo con la tasa de expansión de familias génicas más elevada entre aquellos que incluimos en nuestro estudio. Se observa una clara dependencia entre el metabolismo de S. oryzae y su endosimbionte. En cuanto a los aminoácidos esenciales, algunos se producen por el hospedador, otros por el endosimbionte y otros deben obtenerse a partir de la dieta. El hecho de que S. pierantonius es capaz de producir más aminoácidos que Nardonella es una posible razón para explicar el reemplazo dada la baja abundancia de lisina y treonina en los cereales. El sistema inmune de S. oryzae es muy similar al de T. castaneum e incluso D. melanogaster. Una de las pocas diferencias es la ausencia del receptor PGRP-LE, lo cual es una posible puede explicar que S. oryzae sea capaz de tolerar a su endosimbionte. También se identificaron varios péptidos antimicrobianos. El hecho de que su sistema inmune sea tan parecido al de otros insectos sugiere que pequeños cambios son suficientes para permitir albergar un endosimbionte obligado. No encontramos eventos de transferencia horizontal en el genoma de S. oryzae que parezcan provenir de S. pierantonius. Esto sugiere que existen mecanismos para evitar este fenómeno o quizás no ha habido tiempo suficiente para observar esta transferencia. El metabolismo de aminoácidos esta compartido entre C. cedri, Buchnera y Serratia. La cisteína puede ser producida tanto por el hospedador como por Serratia. La valina, leucina, arginina e isoleucina son producidas por una colaboración entre C. cedri and Buchnera. Por último, aún no está claro si la metionina es obtenida de la dieta o mediante una colaboración entre C. cedri and Buchnera. El sistema inmune de C. cedri es muy similar al de A. pisum con pequeñas diferencias en el número de copias de algunos genes. En cambio, en comparación con otros insectos existen grandes diferencias en la ruta de señalización IMD. Además, no se identificaron otros péptidos antimicrobianos además de la taumatina. Mientras que en todos los áfidos de la especie C. cedri se ha encontrado Wolbachia no ha sido posible definir su rol, si es que tiene alguno. No parece colaborar en la biosíntesis de aminoácidos ni se identificaron otras rutas metabólicas que puedan ser de importancia para el holobionte. La mayoría de los genes específicos de esta cepa están involucrados en la transposición o son proteínas hipotéticas. En cuanto al metabolismo de aminoácidos, todos los artrópodos tienen un repertorio de genes parecido, apoyando la idea de una gran pérdida de genes en el origen de los metazoos. Sin embargo, (i) la arginina no puede ser producida por los artrópodos, sin embargo algunos endosimbiontes pueden proporcionar este aminoácido a sus hospedadores, además los lepidópteros cuentan con una enzima que les permite producirla a partir de la ornitina; (ii) la lisina puede ser producida por todos los endosimbiontes, excepto aquellos que habitan en insectos que se alimentan de sangre; (iii) la alanina puede ser producida por todos los artrópodos, sin embargo se ha perdido en todos los endosimbiontes bacterianos, sugiriendo que existe una presión selectiva para que los eucariotas la conserven; (iv) S. pierantonius puede producir fenilalanina y tirosina mientras que Buchnera únicamente puede producir fenilalanina por si solo y requiere a Serratia para producir triptófano. Los péptidos antimicrobianos son orden-, o incluso linaje-específicos. En el caso de los insectos hemimetábolos únicamente fue posible identificar defensina y taumatina. En cuanto a la respuesta antiviral, todos los artrópodos cuentan con las vías de señalización intactas, lo cual habla de su importancia. Eso también ocurre en el caso de la ruta de señalización JAK/STAT, la cual se conserva en todos los artrópodos a pesar de que el ligando únicamente se ha identificado en D. melanogaster. En cuanto a la ruta Toll, es posible que existan diferencias en las proteasas involucradas en el procesamiento del ligando del receptor Toll, sin embargo, es difícil de afirmar por la dificultad para asignar ortología entre las proteasas. Los áfidos carecen de un gran número de elementos de la ruta de señalización IMD; sin embargo, todos los hemípteros carecen de ciertos elementos de esta ruta. Esto implica que los hemípteros tienen una menor capacidad para reconocer y posiblemente responder ante patógenos Gramnegativos. Consideramos que se trata de perdidas en el grupo de los hemimetábolos y no de una adquisición tardía puesto que esta vía de señalización se encuentra con todos sus elementos en algunos insectos hemimetábolos como la cucaracha americana. es_ES
dc.format.extent 176 p. es_ES
dc.language.iso en es_ES
dc.subject Simbiosis es_ES
dc.subject Bioinformatica es_ES
dc.title Comparative genomics between two insect symbiotic models: Innate immune system and amino acid biosynthetic pathways of the rice weevil Sitophilus oryzae and the cedar aphid Cinara cedri es_ES
dc.type info:eu-repo/semantics/doctoralThesis es_ES
dc.subject.unesco UNESCO::CIENCIAS DE LA VIDA es_ES
dc.embargo.terms 0 days es_ES

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