Plant cell wall degradation in Coleoptera : investigation of three glycoside hydrolase families implicated in cellulose and hemicellulose digestion in Phytophaga beetles

Busch, André GND

The first line of defense against biotic and abiotic stresses in plants consists of a diverse set of sugar-based compounds forming the plant cell wall. The major component of the plant cell wall is cellulose, a polysaccharide consisting of β-1,4-linked glucose moieties. Any organism being able to degrade cellulose would benefit from a huge source of energy as well as gaining access to nutrient-rich cell contents. Cellulose-degrading enzymes (cellulases) are well described in a wide range of microbes but were thought to be absent in animals. Recently, it became clear that some animals encode endogenous plant cell wall degrading enzymes (PCWDEs) belonging to several glycoside hydrolase families (GH), including putative cellulases of family 45 (GH45) and putative mannanases of family 5 subfamily 10 (GH5_10). In Arthropoda, GH45s and GH5_10s are most prominently encoded by insects including the Phytophaga clade of beetles (leaf beetles, longhorned beetles, bark beetles and weevils). Nonetheless, the distribution of both GH families in insects is erratic and it is assumed that they are not of ancestral origin but were acquired separately, likely through horizontal gene transfer (HGT) events from microbe to animal. Despite the intricate evolution of GH45s and GH5_10s and an emerging role of PCWDEs in biofuel industries both GH families in Phytophaga beetles remain largely unexplored. Therefore, the major aim of this thesis was to investigate beetle-derived members of GH5_10 and GH45 with focus on their enzymatic activity, physiological importance and evolutionary history. In conclusion, this thesis has greatly contributed to our understanding of PCWDEs encoded by Phytophaga beetles. In particular, our knowledge on GH45 and GH5_10 members encoded by Chrysomelidae and Curculionidae has greatly increased, demonstrating that not a vertical but a horizontal gene transfer was likely responsible for GH45 (and possibly for GH5_10) inheritance in these beetles. The following species-specific, independent gene duplications allowed for functional diversification and likely adaptation to their food source. These results provide fundamental insights into the evolution of PCWDEs and the molecular mechanisms of acquiring novel enzymatic functions. Furthermore, based on a variety of industrial applications of PCWDEs, beetle-derived GH45 and GH5_10 enzymes may contribute greatly to Society by being introduced into several industrial applications (e.g. biofuel production) and ultimately reducing a progressing greenhouse effect.

Die erste Abwehr von Pflanzen gegen biotische und abiotische Stressfaktoren bildet die pflanzliche Zellwand, einem Polymer zusammengesetzt aus diversen Zuckerderivaten. Der Hauptbestandteil der Pflanzenzellwand besteht aus Zellulose - einem Polysaccharid aufgebaut aus β-1,4-verbundenen Glucoseeinheiten. Ein Organismus, der die Fähigkeit besitzt Zellulose abzubauen, würde sich damit nicht nur eine große Energiequelle erschließen, sondern sich auch Zugang zu einem nähstoffreichen Zellinhalt verschaffen. Zelluloseverdauende Enzyme (Zellulasen) waren lange Zeit dafür bekannt Bestandteil einiger Mikroorganismen zu sein, galten aber gleichzeitig als nicht von Tieren selbst zu kodierend. In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurde jedoch bekannt, dass Pflanzenzellwand-verdauende Enzyme (PZVE) auch von einigen Tierarten endogen kodiert werden. Zu diesen PZVE gehören u.a. Vertreter der Glycosidhydrolasefamilie (GH) und schließen auch putative Zellulasen der Familie 45 (GH45) und potentielle Mannanasen der Familie 5 Unterfamilie 10 (GH5_10) mit ein. In Arthropoden sind GH45 und GH5_10 hauptsächlich innerhalb der Insekten vertreten, zu denen auch Käfer der Klade Phytophaga (Blatt-, Bock-, Borken- und Rüsselkäfer) zählen. Dennoch ist die Verteilung beider Genfamilien in Insekten unregelmäßig und es wird angenommen, dass ihre Herkunft nicht auf einen anzestralen Ursprung zurückzuführen ist. Wahrscheinlicher ist es, dass sie separat erworben wurden - womöglich durch einen horizontalen Gentransfer (HGT) zwischen Mikroorganismus und Tier. Trotz der komplexen Evolution von GH45 und GH5_10 und der aufstrebenden Rolle von PZVE in der Biokraftstoffindustrie, sind beide Genfamilien in Phytophaga Käfern nur wenig untersucht. Das Hauptziel dieser These ist es daher PZVE der GH45 und GH5_10 aus Phytophagen Käfern -- mit Fokus auf enzymatischer Aktivität, physiologischer Bedeutung und Evolutionsgeschichte -- näher zu untersuchen. Diese Doktorarbeit hat wesentlich zum Verständnis der Funktion von Phytophaga Käfern kodierenden PZVE beigetragen. Dabei konnte unser Wissen über Käfer GH45 und GH5_10 maßgeblich vertieft werden. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass nicht ein vertikaler sondern ein horizontaler Gentransfer die mögliche Ursache der ursprünglichen Vererbung von GH45 (und wahrscheinlich GH5_10) in Käfern war. Die anschließenden spezies-spezifischen, unabhängigen Genduplikationen erlaubten eine funktionelle Diversifizierung und mögliche Adaption an die Nahrungsquelle der Käfer. Diese Untersuchungen geben einen fundamentalen Einblick in die Evolution von PZVE und der molekularen Mechanismen notwendig für den Erwerb neuer enzymatische Funktionen. Die Fähigkeit von GH45 und GH5_10 Pflanzenzellwandmaterial abzubauen, macht sie zu interessanten Kandidaten für die Anwendung in diversen Industriezweigen wie z.B. in Wein- und Bierbrauereien oder Textil- und Nahrungsmittelindustrie. Insbesondere können GH45 Zellulasen Anwendung in der Biokraftstoffproduktion finden und damit einem fortschreitenden Treibhauseffekt entgegenwirken.

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Busch, André: Plant cell wall degradation in Coleoptera. investigation of three glycoside hydrolase families implicated in cellulose and hemicellulose digestion in Phytophaga beetles. Jena 2019.

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