Downloaded from UvA-DARE, the institutional repository of the University of Amsterdam (UvA) http://hdl.handle.net/11245/2.164117
File ID Filename Version
uvapub:164117 Summary / Samenvatting final
SOURCE (OR PART OF THE FOLLOWING SOURCE): Type PhD thesis Title The role of horizontally transferred genes in the xenobiotic adaptations of the spider mite Tetranychus urticae Author(s) N.R. Wybouw Faculty FNWI: Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics (IBED), FNWI: Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics (IBED) Year 2015
FULL BIBLIOGRAPHIC DETAILS: http://hdl.handle.net/11245/1.486114
Copyright It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content licence (like Creative Commons). UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl) (pagedate: 2016-07-21)
Nicky-summary_Vera-ch1.qxd 18/08/2015 14:49 Page 203
Summary
P
lant feeding arthropods adapt in diverse ways to the myriad of toxins plants produce to defend themselves. However, compared to the well-characterized plant defensive pathways, the genetic basis of these arthropod adaptations, especially in non-insect lineages, is far less understood. Using the sequenced genome of the phytophagous spider mite Tetranychus urticae as a starting point, the multi-disciplinary research presented in this thesis aimed at uncovering which genes and mechanisms underlie spider mite resistance to plant defenses. In chapters 2 and 3, the detoxification of the defensive compound produced by cyanogenic plants in spider mites was investigated. Cyanogenesis is a widespread defense mechanism in plants and repels herbivores by releasing toxic cyanide. Although cyanide detoxification through β-cyanoalanine synthase activity is considered to be a main pathway in arthropods, the precise nature and distribution of this enzyme was unknown. In this work, after adaptation to a cyanogenic lima bean, T. urticae over-expressed 2 genes which were introduced into its genome by an asexual transfer from non-related organisms in a process called horizontal gene transfer. Functional expression indicated that the 2 laterally transferred genes coded for a β-cyanoalanine synthase and a cyanase enzyme which convert cyanide and its oxidation product, cyanate, respectively, into less toxic products. Phylogenetic analysis revealed that the β-cyanoalanine synthase gene was horizontally transferred from bacteria to spider mite and lepidopteran lineages, while the cyanase gene, only incorporated into mite genomes, had a plant or fungal origin. Although cyanase may serve as a second line of spider mite defense against plant cyanogenesis, further gene-expression experiments indicated that it more likely functions as a regulatory enzyme in the amino acid and pyrimidine biosynthesis. This work showed that a gene horizontally transferred from bacteria was co-opted by arthropods to detoxify plantproduced cyanide. In chapters 4 and 5, genome-wide gene-expression levels were analyzed in T. urticae in order to further explore its xenobiotic metabolism. Transcriptional patterns of gene members of the traditional detoxification families were dissected and showed unprecedented upregulation in mites with a higher resistance to
203
Nicky-summary_Vera-ch1.qxd 18/08/2015 14:49 Page 204
Summary chemical stress (tomato-adapted mites and acaricide multi-resistant strains). However, in addition, genes of families previously not associated with arthropod xenobiotic metabolism also increased in transcription and coded for lipocalins and transporters of the Major Facilitator Superfamily. Lastly, a transcriptional response was observed in horizontally transferred genes that code for intradiol ring-cleaving dioxygenase enzymes. Analysis of the evolutionary history of this laterally acquired gene family indicated fungal plant pathogens as the potential donor species that use these dioxygenases to metabolize plant defensive compounds. When looking at the overall gene-expression responses, the transcriptional modifications in the xenobiotic metabolism of T. urticae due to tomato adaptation matched the transcriptional signatures of acaricide resistance, supporting the theorem that polyphagous herbivores use their pre-evolved detoxification routes to detoxify newly developed or encountered acaricides. Moreover, reciprocal transcriptome analysis in tomato upon herbivory of non-adapted and tomato-adapted mites indicated that T. urticae not only adapts to a novel host by enhancing its detoxification capacity but also by attenuating the production of plant defensive compounds. In chapter 6, the findings of this thesis relating to horizontal gene transfer were incorporated into a more general viewpoint. Here, I argue that that selection for arthropod herbivory could be accelerated by the horizontal acquisition of genes and the traits they encode.
204
Nicky-samenvatting_Vera-ch1.qxd 18/08/2015 14:50 Page 205
Samenvatting
G
eleedpotige herbivoren hebben een grote diversiteit aan mechanismen ontwikkeld om zich te wapenen tegen plant toxines. Moleculair onderzoek naar deze mechanismen heeft zich echter hoofdzakelijk toegespitst op herbivore insecten waarbij de unieke strategieën van andere arthropoden (zoals mijten) genegeerd werden. Gebruik makend van het recent ontcijferd genoom van de bonenspintmijt Tetranychus urticae werd in dit werk de genetische basis van bepaalde detoxificatie routes in spintmijten geanalyseerd. In hoofstukken 2 en 3 werd de interactie tussen spintmijten en cyanogene planten onderzocht. Cyanogenese is een wijdverspreid verdedigingssysteem in planten dat toxisch cyanide produceert om herbivoren af te weren. Het ontgiften van cyanide via β-cyanoalanine synthase activiteit is één van de gesuggereerde detoxificatie mechanismen in arthropoden, hoewel de precieze identiteit van dit enzym en de distributie binnenin de Arthropoda onduidelijk bleef. In deze thesis toonde gen-expressie analyse in T. urticae aan dat de expressie van 2 horizontaal getransfereerde genen geïnduceerd was na adaptatie tot een cyanogene bonencultivar. Functionele expressie wees uit dat de 2 T. urticae genen codeerden voor een β-cyanoalanine synthase en een cyanase enzym die respectievelijk cyanide en cyanaat (CNO-) omzetten tot β-cyanoalanine en ammonium. Verwante homologen van het horizontaal getransfereerde βcyanoalanine synthase gen werden ook teruggevonden bij Lepidoptera, terwijl enkel mijten een cyanase gen in hun genoom herbergden. Alhoewel cyanase een tweede detoxificatieroute kan vormen in spintmijten, duidden gen-expressie patronen aan dat cyanase eerder bijdraagt tot het reguleren van het aminozuur metabolisme. Dit werk demonstreerde dat een horizontale transfer van een bacteriaal gen aan de basis lag voor de unieke metabolische capaciteit van bepaalde arthropoden om cyanide te ontgiften. In hoofdstukken 4 en 5, werd het transcriptoom van T. urticae bestudeerd in spintmijtpopulaties die geadapteerd werden op tomaat en in stammen die resistent waren tegen verschillende acariciden. Op basis hiervan werden de transcriptiepatronen van klassieke detoxificatie-genfamilies in T. urticae in kaart gebracht. Deze vertoonden een opmerkelijke inductie van transcriptie bij
205
Nicky-samenvatting_Vera-ch1.qxd 18/08/2015 14:50 Page 206
Samenvatting chemische stress. Daarnaast vertoonden genen van families, die niet eerder in verband werden gebracht met detoxificatie, ook een opmerkelijke inductie van expressie. Deze genen codeerden onder andere voor lipocalines en transporteiwitten van de ‘Major Facilitator’ superfamilie die respectievelijk toxines kunnen binden en transporteren. Tenslotte werd ook een sterke transcriptionele respons waargenomen in horizontal getransfereerde genen die coderen voor intradiol ring-splitsende dioxygenasen. Fylogenetische analyse van deze nieuwe genfamilie identificeerde microbiële plantpathogenen als potentiële donororganismen die deze dioxygenases produceren om planttoxines te metaboliseren. De transcriptionele modificaties in het xenobiotisch metabolisme van aan tomaat geadapteerde mijten vertoonden een treffende gelijkenis met die in acaricide resistente mijtenstammen. Deze gecorreleerde transcriptionele responsen ondersteunen het theorema dat polyfage herbivoren hun enzymatisch potentieel waarmee ze planttoxines onschadelijk maken ook inzetten om synthetische acariciden te ontgiften. Bovendien demonstreerde transcriptoom-analyse van tomaten geïnfecteerd met tomaat geadapteerde en niet-geadapteerde mijtenpopulaties dat T. urticae niet enkel in staat is om zijn detoxificatie-capaciteit te verhogen, maar ook het vermogen kan verwerven om de toxine productie in planten te verminderen door manipulatie van de fysiologie van de plant. In hoofdstuk 6 worden de bevindingen omtrent horizontale gentransfer in spintmijten geïncorporeerd in een algemeen overzicht. In dit overzicht wordt geargumenteerd dat de selectie voor arthropode herbivorie versneld wordt door de horizontale transfer van nieuwe genen en de metabolische capaciteiten waarvoor ze coderen.
206
