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Drosophila suzukii and Wolbachia
a recent invasive pest to unveil host-microbe interactive biology
Rupinder Kaur
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)
Betreuer*in
Thomas Hummel
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13163.30247.370965-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Drosophila suzukii ist eine aus Südostasien stammende, invasive Insektenart, die seit 2008
auch in Amerika (USA) und Europa (EU) vorkommt und als Schädling einen enormen
landwirtschaftlichen Schaden insbesondere im Weichobstanbau verursacht. Die Bekämpfung ist
hauptsächlich auf den Einsatz von Pestiziden kurz vor der Ernte beschränkt, was hohe
Konzentrationen von Pestizidrückständen in der Nahrung zur Folge haben kann. Im
Schädlingsmanagement ist daher die Entwicklung von alternativen, unter anderem biologischen
Strategien zur Schädlingsbekämpfung ein ständiges Anliegen.
Die ersten beiden Kapitel dieser Arbeit beschäftigen sich mit biologischen Aspekten von D.
suzukii und möglichen Ansatzpunkten für die Entwicklung von biologischen Kontrollstrategien.
Dabei betrachte ich zunächst jahreszeiten- und geschlechtsabhängiges Verhalten sowie das
olfaktorische System, anschließend und umfassender den Endosymbionten Wolbachia.
Anders als die meisten Drosophila-Arten lebt D. suzukii nicht in der Äquatorialzone, sondern
bevorzugt ein gemäßigtes Klima. Kapitel I beschäftigt sich mit meinem Beitrag zu einer
vierjährigen Studie über die jahreszeitenabhängigen Fänge mit D.suzukii-Fallen. Es konnte
gezeigt werden, dass im Sommer und Winter deutlich mehr Weibchen als Männchen gefangen
werden, was auf das Überwinterungsverhalten der Weibchen zurückzuführen ist (Publikation-I).
Die Ergebnisse der Studie weisen darauf hin, dass Fangmaßnahmen effektiver sein könnten,
wenn sie im späten Winter oder frühen Frühling und in der Nähe von natürlichen
Überwinterungsmöglichkeiten durchgeführt werden. Anders als andere Drosophila-Arten nutzt D.
suzukii frische, unbeschädigte Früchte zur Eiablage, was eine Adaption des olfaktorischen
Systems zur Unterscheidung von reifen und verdorbenen Früchten nahelegt. Mithilfe von einer
Kombination aus komparativer Genomik und physiologischen Experimenten konnte ich dazu
beitragen, Duplikationen von olfaktorischen Genen (ORs), die mit der Erkennung von reifenden
Früchten assoziiert sind, sowie den Funktionsverlust von ORs zur Erkennung von faulenden
Früchten aufzuzeigen (Publikation-II). Kenntnis über das einzigartige OR-Repertoire von D.
suzukii stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Schädlingskontrolle basierend auf
Signalstoffkomponenten dar.
Wolbachia sind obligate, intrazelluläre und maternal vererbte Bakterien, die dafür bekannt sind,
die Reproduktion ihrer Wirte manipulieren zu können, überwiegend durch das Induzieren von
zytoplasmatischer Inkompatibilität (CI). Dieses Phänomen sowie ihre weite Verbreitung machen
Wolbachia zu einer vielversprechenden Möglichkeit zur Schädlingsbekämpfung. Kapitel II
behandelt meinen Beitrag zur Genomanalyse des in D. suzukii natürlich vorkommenden
Wolbachia-Stamms „wSuz“ (Publikation-III). Außerdem habe ich D.suzukii-Populationen aus
verschiedenen europäischen Ländern (EU) untersucht, um die Prävalenz von Wolbachia-
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Infektionen zu ermitteln. Es stellte sich heraus, dass europäische D. suzukii wesentlich häufiger
mit Wolbachia infiziert sind als amerikanische (US). Die Möglichkeit von CI-basierten
Schädlingskontrollmaßnahmen mit natürlichen wSuz-Stämmen wird von meinen Ergebnissen
jedoch nicht gestützt, da kein CI festgestellt werden konnte (Publikation-IV). Die abweichenden
Infektionshäufigkeiten zwischen den Populationen legten die Existenz verschiedener wSuzVarianten
nahe. Durch den Vergleich des europäischen wSuz-Genoms (wSuzEU) mit dem von
wRi, einem Wolbachia-Stamm aus D. simulans, konnte ich diagnostische Marker entwickeln, die
die Identifikation verschiedener wSuz-Varianten in D.suzukii-Populationen aus Amerika, Europa
und Asien ermöglichten. Es ist denkbar, dass die geografischen Unterschiede in der WolbachiaPrävalenz
auf Infektionen mit unterschiedlichen wSuz-Varianten zurückzuführen sind
(Manuskript-I).
In Kapitel III beschäftige ich mich mit den Interaktionen zwischen Drosophila, Wolbachia und
Viren. Wolbachia kann dem Wirt als Schutz vor verschiedenen RNA-Viren dienen. Der
Schutzmechanismus ist unbekannt, die Dichte und Verteilung von Wolbachia in Wirtsgeweben
wird jedoch als möglicher Faktor betrachtet. In einem „Challenging“-Experiment habe ich fünf
natürlich vorkommende Kombinationen aus Drosophila und wRi-artigen Wolbachia-Stämmen mit
zwei RNA-Viren infiziert: einem natürlich in Drosophila vorkommenden Drosophila C Virus
(DCV) und einem nicht natürlich in Drosophila vorkommenden Flocks House Virus (FHV). In
einer Auswahl von Geweben habe ich den Zusammenhang zwischen der Wolbachia-Dichte und
den Virentitern untersucht. Im Falle von FHV war keine solche Korrelation feststellbar. Jedoch
konnten in den Malpighischen Gefäßen ab dem zehnten Tag nach der Infektion (10 dpi – days
post infection) erhöhte Wolbachia-Titer bei reduzierten DCV-Titern festgestellt werden. Bei FHVInfektionen
war die Wolbachia-Dichte zwischen 5 dpi und 10 dpi reduziert. Diese Beobachtung
legt nahe, dass auch eine Beeinflussung der Wolbachia-Titerdynamik durch Viren möglich ist
(Manuskript-II).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Arbeit wesentlich zu einem
tieferen Verständnis der Biologie von D. suzukii und den Interaktionen mit Wolbachia beitragen.
Die gewonnenen Erkenntnisse leisten nicht nur einen Beitrag zur Entwicklung neuer
Kontrollmöglichkeiten des Schädlings D. suzukii, sondern motivieren zur wissenschaftlichen
Auseinandersetzung mit der wechselseitigen Beziehung zwischen Viren und Wolbachia,
insbesondere im Hinblick auf Wolbachia-basierte Programme zur Kontrolle von Arboviren.
Abstract
(Englisch)
Drosophila suzukii, an insect pest from South-East Asia, invaded America (US) and Europe (EU)
continents in 2008 and since then has caused extensive economic damage to the soft fruits'
industry. D. suzukii population control mainly relies on the use of chemical pesticides, practice
with serious drawbacks because of their use close to harvest and the following risk of high
residues left on fruits. Pest management programs are, therefore, in permanent search for
alternate strategies including those based on biocontrol. The first two chapters of this thesis aim
at developing pest control measures against D. suzukii by exploring its seasonal biological
behavior and the olfactory system, and, more in detail, by exploiting Wolbachia endosymbionts
as biocontrol tools.
One of the key aspects of D. suzukii is its ability to live in temperate climates, while most other
Drosophila have the equatorial lifestyle. In Chapter-I, I contributed to a four-years-long survey of
D. suzukii field trapping showing that D. suzukii females are more abundantly caught during
winter and summer than the males due to their overwintering behavior (Publication-I). Our
results provide useful indications for optimizing mass trapping strategies in late winter or early
spring to target females. D. suzukii oviposit in undamaged fresh ripening fruits suggesting that
this species has adapted its olfactory system to differentiate better the ripened from the rotten
fruit odour. Combining comparative genomics and physiological experiments, I contributed in
showing duplications of olfactory genes (ORs) with an affinity for ripening soft fruits' volatiles and
loss of function of ORs with an affinity for fermentation volatiles (Publication-II). The unique
olfactory genes repertoire of D. suzukii paves the way towards finding key target volatile
compounds to develop new semiochemical-based pest control strategies.
Wolbachia are obligate, intracellular bacteria known as master manipulators of insect
reproduction system by inducing Cytoplasmic Incompatibility (CI). The widespread distributions,
as well as CI-based strategies, render Wolbachia as key player in pest control management. In
Chapter-II, I explored its biocontrol utility by first contributing in genome analysis of a Wolbachia
strain 'wSuz' naturally inhabiting D. suzukii (Publication-III). I then screened various D. suzukii
populations from different EU countries and found that Wolbachia infection frequency in EU D.
suzukii is significantly higher than in the US ones. However, in concordance with US D. suzukii, I
could not detect sufficient levels of CI induced by wSuz in EU D. suzukii populations
(Publication-IV), suggesting that CI-based mechanism using natural wSuz strain cannot be
used to control this invasive species. Despite inducing no CI, the variable infection frequencies
observed between EU and US host populations suggested the presence of different wSuz
variants persisting in two populations independently. Therefore, I compared the wSuz genome
from EU D. suzukii (wSuzEU) and wRi genome (Wolbachia strain naturally infecting D. simulans)
and developed a highly diagnostic set of markers based on insertion sequence (IS) site
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polymorphism and genomic rearrangements (GRs). Applying these markers on different D.
suzukii populations worldwide (Asia, EU, and US), I demonstrate the intra-strain wSuz diversity
and suggest that wSuz geographical variants may associate with variable geographic infection
frequencies (Manuscript-I).
Chapter-III focuses on understanding the tripartite interactions between Drosophila-WolbachiaViruses.
Wolbachia can protect their insect hosts against various RNA viruses. Although the
mechanism behind antiviral protection phenomenon remains unknown, many studies suggest
the density and distribution of Wolbachia in host tissues as contributing factors in both
mosquitoes and Drosophila. I, therefore, challenged five naturally associated DrosophilaWolbachia
combinations against RNA viruses- a native Drosophila C Virus (DCV) and a nonnative
Flock House Virus (FHV), and predicted particular host tissues controlling antiviral effects.
In none of the tissues, I could detect a direct correlation between increased Wolbachia densities
with reduced FHV viral titer. However, the titer of DCV was significantly decreased with
increased Wolbachia in Malpighian tubules, not at 5 days post-infection (dpi) but later at 10dpi
infection stage. I further detected reduced Wolbachia titer from 5-10dpi in the presence of FHV
but not DCV, suggesting that not only Wolbachia can affect virus load but non-native host
viruses can also have an antagonistic effect on Wolbachia titer dynamics (Manuscript-II).
Taken together, the results presented in my thesis highly contribute to enhancing our
understanding of D. suzukii biology and ecology, in particular, its complex interaction with the
symbiont Wolbachia. The wealth of information from my postgraduate study will not only guide
future studies aiming at controlling D. suzukii in the field but will also encourage researchers to
focus on the counteracting effects of viruses on Wolbachia before implementing their field
release in Wolbachia-based arboviral disease control programs.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Wolbachia Drosophila suzukii host-microbe interaction Symbiosis RNA viruses
Schlagwörter
(Deutsch)
Wolbachia Drosophila suzukii Wirt-Symbiont-interaktion Symbiose RNA-Viren
Autor*innen
Rupinder Kaur
Haupttitel (Englisch)
Drosophila suzukii and Wolbachia
Hauptuntertitel (Englisch)
a recent invasive pest to unveil host-microbe interactive biology
Paralleltitel (Deutsch)
Drosophila suzukii und Wolbachia : ein neues Modellsystem zur Studie von Interaktionen zwischen Wirt und Symbiont
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
203 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Markus Riegler ,
Vaughn Martin Walton
AC Nummer
AC13776055
Utheses ID
42610
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |