Ecological and Physiological Effects of Facultative Endosymbionts of Aphids in the Context of Resistance to Parasitoid Wasps and Immunity
Effets écologiques et physiologiques des endosymbiotes facultatifs dans la résistance aux guêpes parasitoïdes et l'immunité des pucerons
Résumé
Symbiosis is omnipresent in nature. In these intimate and prolonged associations between different organisms, the effect of gene expression from one partner on the other can lead to the appearance of new phenotypes, a concept called "extended phenotype". My thesis focuses on the study of host-parasitoid-symbiont interactions in aphids, mainly the pea aphid Acyrthosiphon pisum, which has become a model for its obligatory nutritional symbiosis with Buchnera aphidicola and facultative with one or more symbiotes, the most common being Hamiltonella defensa (Hd), Regiella insecticola (Ri) and Serratia symbiotica (Ss). My work addresses ecological and physiological aspects of facultative symbiosis in aphids. Aphids are hosts for a complex community of parasitoids that fit in the Performance-Preference Hypothesis (PPH) suggesting that females will preferentially lay eggs in hosts that maximize the survival and performance of their offspring. The PPH evaluation classifies parasitoids in terms of degree of specialization. I participated in the determination of the PPH of three parasitoids (Aphelinus abdominalis, Aphidius ervi and Diaeretiella rapae) using 12 aphid species (6 Aphidini and 6 Macrosiphini) maintained on different host plants and whose symbiotic status was established. A. abdominalis and D. rapae appeared as generalists and A. ervi as a moderate specialist. All species showed low selectivity towards the host regardless of the host plant or symbiont, but parasitic success was impacted by some symbionts. I then studied the effect of host genotype, genotypes (host x symbiont) on parasitoid success using artificially infected clones of the aphid Sitobion avenae with a protective strain of Ri. Infected lines are better hosts for Aphelinus asychis but not Aphidius gifuensis, compared to the same infection-free clones. The Ri effect is therefore dependent on the parasitoid species, indicating that the cost/benefit of a symbiont is context-dependent. In the second part of my thesis, I focused on the host's immune system as a central aspect in the establishment and evolution of interactions between organisms. The annotation of different aphid genomes shows a reduced immunity that could be due to their adaptation to a symbiotic life. Hemocytes and phenoloxidase activity, two major immune components, have been described in aphids. I have developed molecular tools to analyze the expression of genes encoding both phenoloxidases (PO) of A. pisum (PO2 and PO2-X1) and to estimate their amount in the hemolymph. I used clones from different genetic backgrounds without secondary symbiont (LL01, YR2-Amp, T3-8V1-Amp) and natural or artificial lines YR2 or T3-8V1 infected with Hd, Ri or Ss. I have demonstrated that: i) both genes are expressed and their products are present in circulating form in the hemolymph, ii) gene expression, amount and activity of PO are highly correlated and depend on the genetic background of the host and iii) these three markers are significantly decreased by the presence of Hd and Ri. I observed a correlation between the impact of stressors on the aphid's life traits and the presence of some symbionts (and therefore the amount of PO in aphids), but no correlation with the variation in PO after stress. This work therefore shows a strong interaction between the host's immune capacity and the symbiotic status of the aphid, and can explain the success or failure of some parasitoids that are not highly specialized for the host they attack.
Les symbioses sont omniprésentes dans la nature. Dans ces associations intimes et prolongées entre différents organismes, l’effet de l’expression des gènes d’un partenaire sur l’autre peut conduire à l’apparition de nouveaux phénotypes, un concept appelé "phénotype étendu". Ma thèse porte sur l'étude des interactions hôte-parasitoïde-symbiotes chez les pucerons, principalement le puceron du pois Acyrthosiphon pisum, devenu un modèle de par sa symbiose nutritionnelle obligatoire avec Buchnera aphidicola et facultative avec un ou plusieurs symbiotes, les plus courants étant Hamiltonella defensa (Hd), Regiella insecticola (Ri) et Serratia symbiotica (Ss). Le travail présenté aborde des aspects écologiques et physiologiques de la symbiose facultative chez les pucerons. Les pucerons sont des hôtes pour une communauté complexe de parasitoïdes qui s'inscrivent dans l'hypothèse Performance-Preference (PPH) selon laquelle les femelles vont préférentiellement pondre dans les hôtes qui maximisent la survie et les performances de leur progéniture. L’évaluation de la PPH permet de classer les parasitoïdes en termes de degré de spécialisation. J'ai participé à la détermination de la PPH de trois parasitoïdes (Aphelinus abdominalis, Aphidius ervi et Diaeretiella rapae) en utilisant 12 espèces de pucerons (6 Aphidini et 6 Macrosiphini) maintenus sur différentes plantes hôtes et dont le statut symbiotique était établi. A. abdominalis et D. rapae sont apparus comme des généralistes et A. ervi comme un spécialiste modéré. Toutes les espèces ont montré une faible sélectivité vis-à-vis de l’hôte quelle que soit la plante hôte ou le symbiote, mais le succès parasitaire était impacté par certains symbiotes. J'ai ensuite étudié l’effet du génotype de l'hôte, des génotypes (hôte x symbiote) sur la réussite des parasitoïdes sur des clones du puceron Sitobion avenae infectés artificiellement avec une souche protectrice de Ri. Les lignées infectées sont de meilleurs hôtes pour Aphelinus asychis mais pas Aphidius gifuensis, par rapport aux mêmes clones exempts d'infection. L’effet de Ri est donc dépendant de l'espèce parasitoïde, indiquant que le coût/bénéfice d'un symbiote dépend du contexte. Dans la seconde partie de thèse, je me suis concentré sur le système immunitaire de l’hôte en tant que facteur central dans l’établissement et l’évolution des interactions entre les organismes. L'annotation de différents génomes de pucerons montre une immunité réduite qui pourrait être due à leur adaptation à une vie symbiotique. Les hémocytes et l'activité phénoloxydase, deux composants immunitaires majeurs, ont été décrits chez le puceron. J'ai développé des outils moléculaires pour analyser l'expression de gènes codant pour les deux phénoloxidases (PO) d’A. pisum (PO2 et PO2-X1) et pour estimer leur quantité dans l'hémolymphe. J’ai utilisé des clones de différents fonds génétiques sans symbiote secondaire (LL01, YR2-Amp, T3-8V1-Amp) et les lignées naturelles ou artificielles YR2 ou T3-8V1 infectées par Hd, Ri ou Ss. J'ai démontré que : i) les deux gènes sont exprimés et que leurs produits sont présents sous une forme circulante dans l'hémolymphe, ii) l'expression des gènes, la quantité et l'activité de la PO sont fortement corrélées et dépendent du fond génétique de l'hôte et iii) ces trois marqueurs sont significativement diminués par la présence de Hd et de Ri. J’ai observé une corrélation entre l’impact des facteurs de stress sur les traits de vie du puceron et la présence de certains symbiotes (et donc la quantité de PO des pucerons), mais pas de corrélation avec la variation de PO après le stress. Ce travail montre donc une forte interaction entre la capacité immunitaire de l'hôte et le statut symbiotique du puceron, et il peut expliquer le succès ou l'échec de certains parasitoïdes qui ne sont pas hautement spécialisés pour l'hôte qu'ils attaquent.
Origine : Version validée par le jury (STAR)