Interacción planta - áfido - endosimbionte: estudio de las relaciones entre plantas del género Solanum, Myzus persicae y Buchnera aphidicola

El áfido verde del duraznero, Myzus persicae, se asocia con la bacteria endosimbiótica Buchnera aphidicola que se localiza en el hemocele del áfido. B. aphidicola suplementa la dieta del áfido, aunque podría cumplir otros roles en la interacción planta-áfido. Las respuestas de las plantas a la infestación por M. persicae, muestran mayores similitudes con las respuestas a una infección bacteriana que al ataque de insectos masticadores, por ejemplo en la inducción de procesos relacionados a la senescencia. La hipótesis propuesta en este trabajo es que en la interacción plantaáfido están involucrados efectores, los cuales podrían ser sintetizados por el áfido o por su endosimbionte primario, B. aphidicola. Por esta razón en ésta Tesis se evaluó la participación de B. aphidicola y de la senescencia foliar inducida en la interacción planta-áfido, integrando estudios que involucran distintos aspectos de la interacción entre plantas, áfidos y el endosimbionte primario. Para estudiar el comportamiento alimenticio de los áfidos se utilizó la técnica de gráfico de penetración eléctrica (EPG), y para evaluar la expresión de genes se utilizó RT-qPCR. Se encontró que la inducción de senescencia foliar incrementó el tiempo de ingestión de savia y mejoró el desarrollo ninfal de los áfidos. Además se encontró que la interrupción de la simbiosis con B. aphidicola, afecta el comportamiento alimenticio y la expresión de genes de las glándulas salivales del áfido, siendo el efecto más evidente en una interacción planta áfido compatible que en una interacción incompatible. Además, la interrupción de la simbiosis con B. aphidicola cambió la expresión de genes marcadores de las dos principales vías de defensa en Arabidopsis thaliana. Estos resultados confirman la participación de B. aphidicola y de procesos similares a la senescencia foliar, en la interacción planta-áfido.

Interacción planta - áfido - endosimbionte: estudio de las relaciones entre plantas del género Solanum, Myzus persicae y Buchnera aphidicola

El áfido verde del duraznero, Myzus persicae, se asocia con la bacteria endosimbiótica Buchnera aphidicola que se localiza en el hemocele del áfido. B. aphidicola suplementa la dieta del áfido, aunque podría cumplir otros roles en la interacción planta-áfido. Las respuestas de las plantas a la infestación por M. persicae, muestran mayores similitudes con las respuestas a una infección bacteriana que al ataque de insectos masticadores, por ejemplo en la inducción de procesos relacionados a la senescencia. La hipótesis propuesta en este trabajo es que en la interacción plantaáfido están involucrados efectores, los cuales podrían ser sintetizados por el áfido o por su endosimbionte primario, B. aphidicola. Por esta razón en ésta Tesis se evaluó la participación de B. aphidicola y de la senescencia foliar inducida en la interacción planta-áfido, integrando estudios que involucran distintos aspectos de la interacción entre plantas, áfidos y el endosimbionte primario. Para estudiar el comportamiento alimenticio de los áfidos se utilizó la técnica de gráfico de penetración eléctrica (EPG), y para evaluar la expresión de genes se utilizó RT-qPCR. Se encontró que la inducción de senescencia foliar incrementó el tiempo de ingestión de savia y mejoró el desarrollo ninfal de los áfidos. Además se encontró que la interrupción de la simbiosis con B. aphidicola, afecta el comportamiento alimenticio y la expresión de genes de las glándulas salivales del áfido, siendo el efecto más evidente en una interacción planta áfido compatible que en una interacción incompatible. Además, la interrupción de la simbiosis con B. aphidicola cambió la expresión de genes marcadores de las dos principales vías de defensa en Arabidopsis thaliana. Estos resultados confirman la participación de B. aphidicola y de procesos similares a la senescencia foliar, en la interacción planta-áfido.

Postsymbiotic plasmid acquisition and evolution of the repA1-replicon in Buchnera aphidicola

Buchnera aphidicola is an obligate, strictly vertically transmitted, bacterial symbiont of aphids. It supplies its host with essential amino acids, nutrients required by aphids but deficient in their diet of plant phloem sap. Several lineages of Buchnera show adaptation to their nutritional role in the form of plasmid-mediated amplification of key-genes involved in the biosynthesis of tryptophan (trpEG) and leucine (leuABCD). Phylogenetic analyses of these plasmid-encoded functions have thus far suggested the absence of horizontal plasmid exchange among lineages of Buchnera. Here, we describe three new Buchnera plasmids, obtained from species of the aphid host families Lachnidae and Pemphigidae. All three plasmids belong to the repA1 family of Buchnera plasmids, which is characterized by the presence of a repA1-replicon responsible for replication initiation. A comprehensive analysis of this family of plasmids unexpectedly revealed significantly incongruent phylogenies for different plasmid and chromosomally encoded loci. We infer from these incongruencies a case of horizontal plasmid transfer in Buchnera. This process may have been mediated by secondary endosymbionts, which occasionally undergo horizontal transmission in aphids.

Evolutionary relationships of "candidatus riesia spp.," endosymbiotic enterobacteriaceae living within hematophagous primate lice

The primary endosymbiotic bacteria from three species of parasitic primate lice were characterized molecularly. We have confirmed the characterization of the primary endosymbiont (P-endosymbiont) of the human head/body louse Pediculus humanus and provide new characterizations of the P-endosymbionts from Pediculus schaeffi from chimpanzees and Pthirus pubis, the pubic louse of humans. The endosymbionts show an average percent sequence divergence of 11 to 15% from the most closely related known bacterium "Candidatus Arsenophonus insecticola." We propose that two additional species be added to the genus "Candidatus Riesia." The new species proposed within "Candidatus Riesia" have sequence divergences of 3.4% and 10 to 12% based on uncorrected pairwise differences. Our Bayesian analysis shows that the branching pattern for the primary endosymbionts was the same as that for their louse hosts, suggesting a long coevolutionary history between primate lice and their primary endosymbionts. We used a calibration of 5.6 million years to date the divergence between endosymbionts from human and chimpanzee lice and estimated an evolutionary rate of nucleotide substitution of 0.67% per million years, which is 15 to 30 times faster than previous estimates calculated for Buchnera, the primary endosymbiont in aphids. Given the evidence for cospeciation with primate lice and the evidence for fast evolutionary rates, this lineage of endosymbiotic bacteria can be evaluated as a fast-evolving marker of both louse and primate evolutionary histories.

Insights into bacterial genome composition through variable target GC content profiling

This study presents a new computational method for guanine (G) and cytosine (C), or GC, content profiling based on the idea of multiple resolution sampling (MRS). The benefit of our new approach over existing techniques follows from its ability to locate significant regions without prior knowledge of the sequence, nor the features being sought. The use of MRS has provided novel insights into bacterial genome composition. Key findings include those that are related to the core composition of bacterial genomes, to the identification of large genomic islands (in Enterobacterial genomes), and to the identification of surface protein determinants in human pathogenic organisms (e.g., Staphylococcus genomes). We observed that bacterial surface binding proteins maintain abnormal GC content, potentially pointing to a viral origin. This study has demonstrated that GC content holds a high informational worth and hints at many underlying evolutionary processes. For online Supplementary Material, see www.liebertonline.com.

Accelerated evolution and Muller's rachet in endosymbiotic bacteria.

Many bacteria live only within animal cells and infect hosts through cytoplasmic inheritance. These endosymbiotic lineages show distinctive population structure, with small population size and effectively no recombination. As a result, endosymbionts are expected to accumulate mildly deleterious mutations. If these constitute a substantial proportion of new mutations, endosymbionts will show (i) faster sequence evolution and (ii) a possible shift in base composition reflecting mutational bias. Analyses of 16S rDNA of five independently derived endosymbiont clades show, in every case, faster evolution in endosymbionts than in free-living relatives. For aphid endosymbionts (genus Buchnera), coding genes exhibit accelerated evolution and unusually low ratios of synonymous to nonsynonymous substitutions compared to ratios for the same genes for enterics. This concentration of the rate increase in nonsynonymous substitutions is expected under the hypothesis of increased fixation of deleterious mutations. Polypeptides for all Buchnera genes analyzed have accumulated amino acids with codon families rich in A+T, supporting the hypothesis that substitutions are deleterious in terms of polypeptide function. These observations are best explained as the result of Muller's ratchet within small asexual populations, combined with mutational bias. In light of this explanation, two observations reported earlier for Buchnera, the apparent loss of a repair gene and the overproduction of a chaperonin, may reflect compensatory evolution. An alternative hypothesis, involving selection on genomic base composition, is contradicted by the observation that the speedup is concentrated at nonsynonymous sites.