Az étrend és a sugárzás hatása a sárgadinnye légy baktériumszimbiómájára, Zeugodacus cucurbitae (Coquillett)

Absztrakt

Háttér

A szimbiotikus baktériumok számos fontos biológiai funkcióhoz hozzájárulnak, például a táplálkozáshoz és a szaporodáshoz, és számos fiziológiai tényezőt befolyásolnak, például a fitnesz és a hosszú élettartam rovar gazdaszervezeteikben. A dinnye repül, Zeugodacus cucurbitae (Coquillett) egy fontos mezőgazdasági kártevő, amely számos, főleg a Cucurbitaceae családba tartozó termesztett növényt érint. Invazívnak tekintik és a világ számos részén elterjedt. Jelenleg számos megközelítést fontolgatnak populációinak kezelésére, ideértve a környezetbarát és hatékony steril rovar technikát (SIT), mint az integrált kártevőkezelési (IPM) stratégia egyik elemét. Jelen tanulmányban megvizsgáltuk az étrend és a sugárzás hatását a baktériumok szimbiómájára Z. cucurbitae a Next Generation Sequencing technológiák alkalmazásával repül.

Eredmények

A sárgadinnye legyeket két étrenden nevelték a lárva stádiumában, egy mesterséges korpalapú étrenden és édes tökön, amelyek jelentősen befolyásolták a baktériumprofilok kialakulását. Jelentős differenciálást figyeltünk meg a nemek alapján is. A sugárzás hatása leginkább étrendfüggő volt, a korpás étrenden nevelkedett besugárzott dinnye legyek jelentősen csökkentették a fajok sokféleségét és gazdagságát a nem besugárzott kontrolljukhoz képest. A besugárzott sárgadinnye legyek bakteriális szimbiómájában bekövetkezett változások drasztikusan csökkentették a szekvenciák számát a Citrobacter, Raoultella, és Enterobacteriaceae. Ugyanakkor növekedést figyeltek meg a Enterobacter, Providencia és Morganella. Érdekes, hogy az édes tökön tenyésztett, besugárzott hím dinnye legyek egyértelmű különbséget mutattak a nem besugárzott kontrolljaikkal szemben, nevezetesen a fajgazdagság jelentős csökkenése és a fajok relatív bőségének kisebb eltérései. Enterobacter és Providencia.

Következtetések

A két diéta a besugárzással együtt jelentősen befolyásolta a bakteriális szimbióma kialakulását. A korpán alapuló mesterséges étrenden nevelt sárgadinnye legyei a besugárzás során jelentős változásokat mutattak a baktériumok szimbiómájában, minden szempontból, beleértve a fajok gazdagságát, sokféleségét és összetételét. Édes tökön nevelve a hím mintákban a sugárzás miatt jelentős változások történtek, csak a fajgazdagság szempontjából.

Háttér

A rovarok sokféle mikrobát hordoznak magukban, amelyek főleg reproduktív és emésztőszövetükhöz kapcsolódnak, és a kötelező szimbiontoktól kezdve, amelyek a gazdaszervezet normális működéséhez elengedhetetlenek, a fakultatív szimbiontokig terjednek, amelyek jelenléte nem elengedhetetlen a gazda számára [1, 2 ]. Az interakció típusától függően a szimbiontusokat tovább lehet különböztetni kommenzálissá vagy parazitákká, amelyek semleges vagy negatív hatást gyakorolnak a gazdaszervezetekre, vagy kölcsönösek, amelyek hozzájárulnak a gazdabiológia fontos szempontjaihoz [1]. A szimbiotikus baktériumok, különösen a reproduktív és az emésztőszövet baktériumai, befolyásolják rovargazdáik számos fontos élettani tulajdonságát. Ami a legfontosabb, hogy nélkülözhetetlen tápanyagokat, köztük aminosavakat, vitaminokat, szén- és nitrogénvegyületeket biztosítanak, elősegítve a fejlődést és javítva a gazdaszervezet fittségét, ami végső soron fokozottabb ellenállást eredményezhet a parazitákkal, kórokozókkal, növényvédő szerekkel és hőstresszel szemben. A gazdaélettan egyéb aspektusai közé tartozik a speciáció, a gazdaikkal való együttevolúció, a kommunikáció és a szaporodás révén, azáltal, hogy citoplazmatikus inkompatibilitással (CI) okozza az embrióhalandóságot, az utódok nemi arányának eltolódása a nők javára feminizációval, partenogenezissel és hímöléssel vagy megnövekedett termékenység [1, 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19].

A nemzetség Zeugodacus (Hendel) hozzávetőlegesen 192 fajt tartalmaz [20], amelyek többnyire Ázsia és Óceánia régióiban vannak elterjedve, és közülük néhány Kelet-Kínában és Japánban fordul elő. Zeugodacus (Bactrocera) cucurbitae (Coquillett) invazív fajnak tekinthető, mivel Afrika számos régiójában (Keleten és Nyugaton), az Indiai-óceán és Hawaii szigetein elterjedt [20,21,22,23,24]. A dinnye légy fontos mezőgazdasági kártevőnek számít, amely számos termesztett gyümölcs- és zöldségnövényt érint. Főleg polifág, de oligofág populációkat találtak Thaiföldön, Malajziában és Franciaországban (Reunion-sziget, Indiai-óceán) [25,26,27,28]. Gazdáit eredetileg 81 fajra becsülték [23], de számukat később 45 jól regisztrált fajra csökkentették, amelyek 9 különböző családba tartoznak, többségük a Cucurbitaceae család tagja [20].

A steril rovartechnika (SIT) az IPM-stratégia egyik fontos eleme, és azon steril hím egyedek szabadon engedésén alapul, amelyek nőstényekkel párosulnak a vad populációkból, ezáltal csökkentve az utódok születésének esélyét, ami végső soron a megcélozza a helyi lakosságot [29, 30]. A rovarkártevők SIT alkalmazásával történő leküzdéséhez nagyszámú kiváló minőségű, steril felnőtt hím előállítására van szükség [29]. A tömeges nevelés, besugárzás, kezelés és szállítás azonban befolyásolhatja a tömegesen előállított steril rovarok minőségét, és ez összefüggésben lehet a szimbiotikus baktériumközösségekre gyakorolt hatásukkal [4, 31, 32]. Ugyanakkor a rovar bélbaktériumai kihasználhatók a tömegesen nevelt hím rovarok fitneszének és versenyképességének fokozásának eszközeként [33,34,35,36,37,38].

Ezért fontos kibővíteni ismereteinket az étrend és a sugárzás hatásáról a SIT által megcélzott rovarkártevő fajok szimbiotikus baktériumközösségeire annak alkalmazásának fokozása érdekében. Ennek érdekében a Next Generation Sequencing (NGS) technológiákat alkalmaztuk a besugárzott és nem besugárzott felnőttek bakteriális szimbiómájának szerkezetének vizsgálatára. Z. cucurbitae legyek, amelyeket két különböző étrenden neveltek, egy mesterséges és egy természetes gazdán alapuló.

Eredmények

A baktériumok közösségének összetétele és sokfélesége Z. cucurbitae búzakorpán alapuló mesterséges lárva-étrenden és természetes gazdán (édes tök) tartott laboratóriumi populációkat 50 Gy dózisú besugárzással kezelték. 16S rRNS gén amplikon szekvenálás. Összesen 220 955 leolvasást alkalmaztunk a minőségi szűrés után (1. táblázat), amely a Good lefedettségi indexe alapján magas lefedettséget (97–98%) adott a meglévő baktériumok sokféleségére (2. táblázat).

Diéta és/vagy besugárzás függő változások

Étrend és/vagy besugárzás-függő változásokat figyeltek meg a baktériumok sokféleségében és összetételében. A mesterséges korpaalapú étrenden (NIR_BR) nevelt, nem besugárzott minták hasonló faji sokféleséget és gazdagságot mutattak, mint az édes tökön tenyésztett nem besugárzott kontrollok (NIR_SG) (t-teszt; df: 18; o 1. ábra

Fajgazdagsági és diverzitási indexek a Chao1 és Shannon indexek alapján. a Fajgazdagság Z. cucurbitae korpás étrenden nevelkedett, besugárzott (IR_BR) és nem besugárzott (NIR_BR), valamint édes tökön nevelkedett, besugárzott (IR_SG) és nem besugárzott (NIR_SG) minták. b Korpás étrenden (BR) és édes tökön (SG) nevelt nőstény (F) és hím (M) minták fajgazdagsága (NIR) előtt és besugárzás után (IR). c Korpás étrenden (BR) és édes tökön (SG) nevelt nőstény (F) és hím (M) sokféleségi mutatója (NIR) előtt és a besugárzás (IR) után. A dobozok az interkvartilis tartományt jelölik, a dobozon belüli vonal a medián, a bajusz pedig a legszélső értékekre terjed ki

Az összes vizsgált minta közül a legdominánsabb phyla relatív bősége

Az összes vizsgált minta közül a legdominánsabb taxonok relatív bősége

A béta-változatosság tekintetében a baktériumok közösségei erőteljesen csoportosultak a lárvák étrendjének és a besugárzási kezelésnek megfelelően (PERMANOVA; o 3. táblázat: PERMANOVA eredménytábla mindhárom tényezőre és azok kombinációira. Statisztikailag szignifikáns különbségek (o

A baktériumközösségek főkoordináták elemzése (PCoA) a hímektől, nőstényektől, besugárzott, nem besugárzott, korpaalapú és édes tökmintákból származó OTU-k relatív bősége alapján. (BR = korpa; SG = édes tök)

A nemtől függő változások a sokféleségben és az összetételben

A fajok változatosságában és összetételében nemtől függő különbségeket figyeltünk meg a minták között. A nőstények általában nagyobb gazdagságot mutatnak, kivéve a nem besugárzott édes tököt (NIR_SG) (1b. Ábra), míg a férfiaknál a diverzitás nagyobb volt, mint a nőknél, kivéve a nem korpás étrenden besugárzatlanokat (NIR_BR) (ábra (1c). Részletesebben: a korpás étrenden nevelt nem besugárzott nőstények (F_NIR_BR) fajgazdagsági és diverzitásindexei magasabbak voltak, mint a hímeknél (M_NIR_BR) (t-teszt; o 6. ábra

Vita

Jelen tanulmány a lárvák étrendjének, a nemnek és a besugárzásnak a szimbióta baktériumközösségekre gyakorolt hatását vizsgálta Z. cucurbitae laboratóriumi legyek. Eredményeink azt mutatják, hogy a besugárzás alkalmazása két különálló lárva-étrenden különböző baktériumprofilok kialakulásához vezet. Különböző baktériumprofilokat figyeltünk meg a különböző nemhez tartozó minták között is. Ezenkívül statisztikailag szignifikáns különbségeket figyeltünk meg a besugárzásos kezelés után a két vizsgált étrendben és a nemek között. A besugárzás káros hatással volt a baktériumközösségek kialakulására, különösen a korpán tenyésztett mintákban, míg az édes tökön tenyésztett legyek vegyes válaszokat mutattak, de összességében magasabb szintű gazdagságot és változatosságot tudtak megtartani, az OTU összetételében kismértékű változásokkal.

Következtetések

Az étrendről kiderült, hogy erősen befolyásolja a mikrobiota szerkezetét Z. cucurbitae legyek. A mikrobiotában is szignifikáns differenciálódást figyeltünk meg a legyek neme alapján, de kisebb mértékben. A sugárzás hatása étrendfüggő volt, az édes tök kisebb változásokat mutatott ki a besugárzott és nem besugárzott sárgadinnye legyek között. Erős hatást figyeltek meg azokon a legyeken, amelyeket mesterséges korpaalapú étrenden neveltek, és amelyet mind a baktériumok gazdagsága, mind a sokféleség csökkenése jellemzett, olyan baktérium nemzetségekkel, mint Raoultella és Citrobacter erősen csökken, miközben a szekvenciák a Providencia, Morganella és Enterobacter növekedtek. A nemtől függő sugárhatásokat főként a fajok gazdagsága és változatossága tekintetében figyelték meg, a hímek jelentős veszteségeket mutattak, a nők pedig vegyes tendenciákat mutattak.

Mód

Nevelési feltételek és a minta előkészítése

Zeugodacus cucurbitae a jelen vizsgálatban használt legyek fertőzött édes tökből gyűjtött populációból származtak (Cucurbita maxima Duchesne), és több mint 500 generáción keresztül nevelték őket az IBD-n, az IFRB-n, az AERE-n (Rovarbiotechnológiai részleg, Élelmiszer- és Sugárbiológiai Intézet, Atomenergia Kutatóintézet), Ganak bariban, Savarban, Dakkában, Bangladesben. A lárvákat két különféle étrenden nevelték: a) egy búzakorpán alapuló mesterséges lárva-étrend, amelyet 80 ° C-on 3 napig sterilizáltak, és amelyet általában Z. cucurbitae ((búzakorpa (26%), cukor (12%), sörélesztő (3,6%), nátrium-benzoát (0,4%) és víz (58%)) egy generáció számára és (b) természetes gazda, édes tök, annak érdekében, hogy megvizsgáljuk a természetes és mesterséges étrend hatását a Z. cucurbitae. A bábokat 24–48 órával a felnőttkori megjelenés előtt besugározták 50 Gy-nél, olyan dózisban, amely 100% -os sterilitást váltott ki mind a hímeknél, mind a nőknél [59], IFRB kobalt-60 gamma sugárforrás alkalmazásával. A felnőtt legyeket mesterséges étrenden nevelték, amelyek kazeint, élesztő kivonatot és cukrot tartalmaztak 1: 1: 2 arányban. Az extrakció előtt a rovarokat a felületen sterilizáltuk.

DNS-extrahálás, PCR-amplifikáció és a minta tisztítása

A PCR indexelése és a minta tisztítása

Illumina szekvenálás és adatelemzés

Az adatok és anyagok rendelkezésre állása

A jelenlegi vizsgálat során felhasznált és/vagy elemzett adatkészletek elérhetők az NCBI-ban.