Development and role of the indigenous gut microbiota of Spodoptera littoralis

Teh, Beng-Soon GND

Microbial symbionts are known to live in close associations with animals, plants, and insects. Insects harbor commensal microbes that provide the host with essential nutrients, aid in food digestion, and protection against pathogens. The cotton leafworm, Spodoptera littoralis (Lepidoptera: Noctuidae) is one of the most successful polyphagous insect pests that causes economic losses in agricultural industry. The gut microbial communities of S. littoralis are well characterized, and the insect is a popular model to study insect-microbe and microbe-microbe interactions. It is known that the gut of S. littoralis is predominated by Enterococcus mundtii and Clostridium sp. towards the late stage of larvae. However, the composition of gut microbiome of S. littoralis in other stages (eggs, pupae, and adults) was not defined in previous studies. The 16S rRNA amplicon sequencing based on DNA and cDNA levels has shown that E. mundtii was present in the eggs, pupae, and adults (Article II). Thus far, no study has been done to investigate the colonization of E. mundtii in the gut tissues across life stages of the host insect. To gain better understanding of its survival strategies, GFP-tagged E. mundtii was constructed to track its colonization in the intestine throughout different stages of development (larvae, pupae, adults, and eggs). Fluorescent bacteria survived and proliferated in the intestinal tract of the insect for all life stages, eventually entering second generation offspring following ingestion (Article I). This shows that symbiotic bacterium was vertically transmitted from the mother to progeny. However, the adaptation mechanisms of symbiotic Enterococcus in the gut environment are unknown. Hence, we sequenced the genome of E. mundtii to better decode genes that are important for gut colonization (Article III). To better explore real-time metabolic activities, transcriptome analysis of bacteria isolated from the foregut and hindgut of the insect by RNA-sequencing was performed (Unpublished results part II). Our results showed that E. mundtii expressed some 78 genes involved in carbohydrate transport and metabolism, oxidative stress, cell adhesion, defense, and iron transport for adaptation to the gut environments. In the future, the mechanisms involved in the cross-talk between host and microbe will be investigated by analyzing the insect’s gut epithelium transcriptome.

Mikrobielle Symbionten leben in enger Gemeinschaft mit Tieren, Pflanzen und Insekten. Insekten beherbergen kommensalische Mikroben die den Wirt mit essenziellen Nährstoffen versorgen, beim Verdau von Nahrung behilflich sind und Schutz gegen Pathogene bieten. Der afrikanische Baumwollwurm, Spodoptera littoralis (Lepidoptera: Noctuidae), verursacht in Form polyphagischer Insektenplagen wirtschaftliche Verluste in der Agrarindustrie. Die mikrobiellen Gemeinschaften im Darmtrakt von S. littoralis sind gut charakterisiert, und das Insekt gilt als beliebter Modellorganismus um die Interaktionen zwischen Insekt und Mikroben und Mikroben untereinander zu studieren. Es ist bekannt dass die mikrobielle Gemeinschaft im Darm von S. littoralis im späten Larvenstadium von Enterococcus mundtii und Clostridium sp. dominiert wird. Die Zusammensetzung der Darmgemeinschaft während der restlichen Stadien (Ei, Puppe und Erwachsenenstadium) wurde bisher jedoch nicht untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit ergab die Sequenzierung von 16S rRNA, basierend auf DNA- und cDNA-Amplicons, dass E. mundtii während der Stadien des Eis, der Puppe und im Erwachsenenstadium nachweisbar ist (Artikel II). Um einen besseren Einblick in die bisher unbekannten Überlebensstrategien dieser Spezies zu erlangen, wurden GFP-markierte E. mundtii-Bakterien eingesetzt um die Darmkolonisierung während der verschiedenen Entwicklungsstadien (Larve, Puppe, Erwachsenenstadium, Ei) zu verfolgen. Die fluoreszierenden Bakterien überlebten und kolonisierten den Darmtrakt des Insektes zu allen Entwicklungsstadien, und waren später in Nachfahren der Folgegeneration nachweisbar (Artikel I). Dies beweist dass der Symbiont vertikal von den Weibchen an die Nachfahren weitergegeben wurde. Der letzte Teil der vorliegenden Arbeit setzte sich mit den Mechanismen der Anpassung symbiontischer Enterococcus-spezies im Darmtrakt auseinander. Dazu wurde das Genom von E. mundtii mit dem Ziel sequenziert, die Gene, die an der Kolonisierung mitwirken, zu identifizieren (Artikel III). Um die metabolische Aktivität in Echtzeit zu untersuchen wurde das Transkriptom von Bakterien die aus dem Vorder- und Enddarm isoliert wurden über RNA-Sequenzierung analysiert (nicht publizierte Ergebnisse Teil II). Die Untersuchung ergab dass an der Anpassung an den Darmtrakt Gene beteiligt und exprimiert werden, die in zahlreichen Stoffwechselwegen involviert sind, wie z. B. dem Transport und Stoffwechsel von Kohlenhydraten, oxidativem Stress, Zelladhäsion, Abwehr und Eisentransport. Folgearbeiten werden sich mit dem Mechanismus des Cross-Talks zwischen Insekt und Mikroben auseinandersetzen. Dies wird über die Analyse des Transkriptoms des Darmepithels des Insekts erfolgen.

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Teh, Beng-Soon: Development and role of the indigenous gut microbiota of Spodoptera littoralis. Jena 2018.

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