Characterization of an antennal carboxylesterase from the pest moth Spodoptera littoralis degrading a host plant odorant.

Background: Carboxyl/cholinesterases (CCEs) are highly diversified in insects. These enzymes have a broad range of proposed functions, in neuro/developmental processes, dietary detoxification, insecticide resistance or hormone/pheromone degradation. As few functional data are available on purified or recombinant CCEs, the physiological role of most of these enzymes is unknown. Concerning their role in olfaction, only two CCEs able to metabolize sex pheromones have been functionally characterized in insects. These enzymes are only expressed in the male antennae, and secreted into the lumen of the pheromone-sensitive sensilla. CCEs able to hydrolyze other odorants than sex pheromones, such as plant volatiles, have not been identified. Methodology: In Spodoptera littoralis, a major crop pest, a diversity of antennal CCEs has been previously identified. We have employed here a combination of molecular biology, biochemistry and electrophysiology approaches to functionally characterize an intracellular CCE, SlCXE10, whose predominant expression in the olfactory sensilla suggested a role in olfaction. A recombinant protein was produced using the baculovirus system and we tested its catabolic properties towards a plant volatile and the sex pheromone components. Conclusion: We showed that SlCXE10 could efficiently hydrolyze a green leaf volatile and to a lesser extent the sex pheromone components. The transcript level in male antennae was also strongly induced by exposure to this plant odorant. In antennae, SlCXE10 expression was associated with sensilla responding to the sex pheromones and to plant odours. These results suggest that a CCE-based intracellular metabolism of odorants could occur in insect antennae, in addition to the extracellular metabolism occurring within the sensillar lumen. This is the first functional characterization of an Odorant- Degrading Enzyme active towards a host plant volatile.

Genome sequence of the pea aphid Acyrthosiphon pisum

Aphids are important agricultural pests and also biological models for studies of insect-plant interactions, symbiosis, virus vectoring, and the developmental causes of extreme phenotypic plasticity. Here we present the 464 Mb draft genome assembly of the pea aphid Acyrthosiphon pisum. This first published whole genome sequence of a basal hemimetabolous insect provides an outgroup to the multiple published genomes of holometabolous insects. Pea aphids are host-plant specialists, they can reproduce both sexually and asexually, and they have coevolved with an obligate bacterial symbiont. Here we highlight findings from whole genome analysis that may be related to these unusual biological features. These findings include discovery of extensive gene duplication in more than 2000 gene families as well as loss of evolutionarily conserved genes. Gene family expansions relative to other published genomes include genes involved in chromatin modification, miRNA synthesis, and sugar transport. Gene losses include genes central to the IMD immune pathway, selenoprotein utilization, purine salvage, and the entire urea cycle. The pea aphid genome reveals that only a limited number of genes have been acquired from bacteria; thus the reduced gene count of Buchnera does not reflect gene transfer to the host genome. The inventory of metabolic genes in the pea aphid genome suggests that there is extensive metabolite exchange between the aphid and Buchnera, including sharing of amino acid biosynthesis between the aphid and Buchnera. The pea aphid genome provides a foundation for post-genomic studies of fundamental biological questions and applied agricultural problems.

Interaccions arbre-arbust al límit superior del bosc i efectes de gradients bioclimàtics en la vegetació

Durant el periode d’elaboració d’aquesta tesi hem aprofundit en el coneixement dels factors que controlen les dinàmiques espacio-temporals del límit superior del bosc. Aquest ecotò se situa entre el límit superior del bosc i els prats alpins i és susceptible a canvis ambientals, fet que provoca que fluctuï altitudinalment i latitudinalment en funció d’aquests canvis. Els motius d’aquesta dinàmica s’ha estudiat sovint des d’un punt de vista climàtic, però mai fins ara s’havia estudiat des d’un punt de vista de les interaccions entre organismes. Per aquest fet hem estat evaluant l’efecte de les interaccions planta-planta en la regulació de la dinàmica supraforestal. L’estudi l’hem emmarcat en un context alpí (als Pirineus Catalans) i en un context subàrtic (Lapònia, Suècia), fet que ens ha permès fer un estudi comparatiu en dos ecotons contrastats però homòlegs ecològicament. Hem desenvolupat una sèrie d’experiments considerant diversos factors (augment de temperatura, quantitat de nutrients, presència d’arbust, posició en l’ecotò); en les dues zones d’estudi hem fet una plantació de plançons dels arbres formadors del límit del bosc en les diverses situacions derivades de la combinació d’aquests factors, i hem fet el seguiment fenològic dels plançons durant tres periodes de creixement. Els resultats dels experiments ens han permès veure que les interaccions entre organismes tenen una gran importància en la regulació de la dinàmica supraforestal, tant als Pirineus com a Lapònia. Les interaccions planta-planta i planta-herbívors determinen el reclutament de plançons i per tant l’estructuració de les comunitats supraforestals. Per altra banda, la posició en l’ecotò evidencia la presència d’un gradient bioclimàtic; les manipulacions ambientals de temperatura i nutrients originen una resposta generalment positiva en el desenvolupament dels plançons, indicant que canvis en aquestes variables pot suposar alteracions notables de l’estructura forestal del límit del bosc. Per altra banda en aquest projecte també hem aprofundit en temes relacionats amb l'efecte dels gradients altitudinals en la distribució de plantes vasculars als Pirineus Catalans.

Interaccions arbre-arbust al límit superior del bosc i efectes de gradients bioclimàtics en la vegetació

Durant el periode d’elaboració d’aquesta tesi hem aprofundit en el coneixement dels factors que controlen les dinàmiques espacio-temporals del límit superior del bosc. Aquest ecotò se situa entre el límit superior del bosc i els prats alpins i és susceptible a canvis ambientals, fet que provoca que fluctuï altitudinalment i latitudinalment en funció d’aquests canvis. Els motius d’aquesta dinàmica s’ha estudiat sovint des d’un punt de vista climàtic, però mai fins ara s’havia estudiat des d’un punt de vista de les interaccions entre organismes. Per aquest fet hem estat evaluant l’efecte de les interaccions planta-planta en la regulació de la dinàmica supraforestal. L’estudi l’hem emmarcat en un context alpí (als Pirineus Catalans) i en un context subàrtic (Lapònia, Suècia), fet que ens ha permès fer un estudi comparatiu en dos ecotons contrastats però homòlegs ecològicament. Hem desenvolupat una sèrie d’experiments considerant diversos factors (augment de temperatura, quantitat de nutrients, presència d’arbust, posició en l’ecotò); en les dues zones d’estudi hem fet una plantació de plançons dels arbres formadors del límit del bosc en les diverses situacions derivades de la combinació d’aquests factors, i hem fet el seguiment fenològic dels plançons durant tres periodes de creixement. Els resultats dels experiments ens han permès veure que les interaccions entre organismes tenen una gran importància en la regulació de la dinàmica supraforestal, tant als Pirineus com a Lapònia. Les interaccions planta-planta i planta-herbívors determinen el reclutament de plançons i per tant l’estructuració de les comunitats supraforestals. Per altra banda, la posició en l’ecotò evidencia la presència d’un gradient bioclimàtic; les manipulacions ambientals de temperatura i nutrients originen una resposta generalment positiva en el desenvolupament dels plançons, indicant que canvis en aquestes variables pot suposar alteracions notables de l’estructura forestal del límit del bosc. Per altra banda en aquest projecte també hem aprofundit en temes relacionats amb l'efecte dels gradients altitudinals en la distribució de plantes vasculars als Pirineus Catalans.

Evolutionary analysis of genes of two pathways involved in placental malaria infection

Placental malaria is a special form of malaria that causes up to 200,000 maternal and infant deaths every year. Previous studies show that two receptor molecules, hyaluronic acid and chondroitin sulphate A, are mediating the adhesion of parasite-infected erythrocytes in the placenta of patients, which is believed to be a key step in the pathogenesis of the disease. In this study, we aimed at identifying sites of malaria-induced adaptation by scanning for signatures of natural selection in 24 genes in the complete biosynthesis pathway of these two receptor molecules. We analyzed a total of 24 Mb of publicly available polymorphism data from the International HapMap project for three human populations with European, Asian and African ancestry, with the African population from a region of presently and historically high malaria prevalence. Using the methods based on allele frequency distributions, genetic differentiation between populations, and on long-range haplotype structure, we found only limited evidence for malaria-induced genetic adaptation in this set of genes in the African population; however, we identified one candidate gene with clear evidence of selection in the Asian population. Although historical exposure to malaria in this population cannot be ruled out, we speculate that it might be caused by other pathogens, as there is growing evidence that these molecules are important receptors in a variety of host-pathogen interactions. We propose to use the present methods in a systematic way to help identify candidate regions under positive selection as a consequence of malaria.

Un nuevo problema en espacios verdes urbanos: el pulgón Myzocallis (Lineomyzocallis) walshii (Hemiptera: Aphididae) y el roble americano (Quercus rubra)

Myzocallis (Lineomyzocallis) walshii (Monell) es un pulgón nativo del este de Nor- teamérica que se detectó por primera vez en España en 1995 y cuyo principal huésped es el roble americano (Quercus rubra L.). Los robles americanos se emplean como árbol ornamental en ambientes urbanos en diversas ciudades españolas, donde las proliferaciones del pulgón generan gran cantidad de melaza provocando daños estéticos y de confort. Durante 2008 y 2009 se efectuó el seguimiento de la fenología y de la densidad de población de M. walshii y de otros pulgones en robles americanos plantados en alineación en la ciudad de Girona y se estimaron los daños producidos. Asimismo se valoró la relación entre la abundancia de pulgones y los daños ocasionados. Finalmente se identificaron los principales grupos de enemigos naturales, a la vez que se cuantificó su abundancia. M. walshii fue la única especie de pulgón que afectó a los robles americanos. Este pulgón pasa el invierno en forma de huevo, las primeras ninfas surgen a la salida de hojas y las distintas generaciones de individuos partenogenéticos se mantienen a niveles variables hasta mediados de otoño, cuando aparecen las formas sexuales. Existe una correlación positiva entre la abundancia del pulgón y los daños de confort, incluso cuando la densidad es baja. Parasitoides y coccinélidos fueron los enemigos naturales más frecuentemente registrados, aunque su abundancia fue relativamente escasa. Se discute el papel de las condiciones climáticas y de los enemigos naturales en la determinación de la abundancia de M. walshii.

Plantas hospedantes de Rhopalosiphum maidis (Fitch) (Homoptera: Aphididae) y su papel en el ciclo biológico del pulgón en Cataluña

Se evaluó el papel de las distintas plantas hospedantes de Rhopalosiphum maidis (Fitch) en el ciclo biológico anual de los dos cariotipos más comunes en Cataluña (2n = 8 y 2n = 10 cromosomas) mediante el seguimiento de poblaciones de pulgones en cereales de invierno y verano y en gramíneas espontáneas. Asimismo se registró la densidad de R. maidis en parcelas comerciales de maíz y se determinó el periodo de colonización mediante la instalación de una trampa de succión. Las gramíneas espontáneas juegan un papel fundamental en el ciclo biológico anual de ambos cariotipos. Los pulgones de cariotipo 2n = 10 pueden vivir sobre cebada durante el otoño, invierno y primavera, y sobre gramíneas adventicias, como Setaria sp. y Echinochloa crus-galli ((L.) P. Beauv.), en verano e inicios de otoño; la superposición del ciclo de estas gramíneas permite a los pulgones con este cariotipo cerrar su ciclo anual en ellas. En el caso de los pulgones de cariotipo 2n = 8, el sorgo es el principal hospedante de verano; la cañota constituye un hospedante básico en primavera y otoño, pudiendo actuar como hospedante en inviernos extremadamente cálidos. El periodo primaveral de colonización del maíz por R. maidis se produjo principalmente en mayo y duró hasta mediados de junio. El número de alados capturados en la trampa de succión, así como el de individuos hallados sobre plantas, fue muy bajo tanto en mayo como en junio. Los resultados obtenidos sugieren que el maíz no juega un papel relevante en el ciclo de R. maidis. Se analizan algunas de las posibles causas de este fenómeno.

Pathogenic plant-microbe interactions. What we know and how we benefit

Plants, like humans and other animals, also get sick, exhibit disease symptoms, and die. Plant diseases are caused by environmental stress, genetic or physiological disorders and infectious agents including viroids, viruses, bacteria and fungi. Plant pathology originated from the convergence of microbiology, botany and agronomy; its ultimate goal is the control of plant disease. Microbiologists have been attracted to this field of research because of the need for identification of the agents causing infectious diseases in economically important crops. In 1878—only two years after Pasteur and Koch had shown for the first time that anthrax in animals was caused by a bacteria—Burril, in the USA, discovered that the fire blight disease of apple and pear was also caused by a bacterium (nowadays known as Erwinia amylovora). In 1898, Beijerinck concluded that tobacco mosaic was caused by a “contagium vivum fluidum” which he called a virus. In 1971, Diener proved that a potato disease named potato spindle tuber was caused by infectious RNA which he called viroid

Plant-microbe interactions and the new biotechnological methods of plant disease control

Plants constitute an excellent ecosystem for microorganisms. The environmental conditions offered differ considerably between the highly variable aerial plant part and the more stable root system. Microbes interact with plant tissues and cells with different degrees of dependence. The most interesting from the microbial ecology point of view, however, are specific interactions developed by plant-beneficial (either non-symbiotic or symbiotic) and pathogenic microorganisms. Plants, like humans and other animals, also become sick, but they have evolved a sophisticated defense response against microbes, based on a combination of constitutive and inducible responses which can be localized or spread throughout plant organs and tissues. The response is mediated by several messenger molecules that activate pathogen-responsive genes coding for enzymes or antimicrobial compounds, and produces less sophisticated and specific compounds than immunoglobulins in animals. However, the response specifically detects intracellularly a type of protein of the pathogen based on a gene-for-gene interaction recognition system, triggering a biochemical attack and programmed cell death. Several implications for the management of plant diseases are derived from knowledge of the basis of the specificity of plant-bacteria interactions. New biotechnological products are currently being developed based on stimulation of the plant defense response, and on the use of plant-beneficial bacteria for biological control of plant diseases (biopesticides) and for plant growth promotion (biofertilizers)