Diversity and Host Interaction of Phthorimaea operculella granulovirus

Larem, Andreas (2019):
Diversity and Host Interaction of Phthorimaea operculella granulovirus.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type:

Ph.D. Thesis

Title:

Diversity and Host Interaction of Phthorimaea operculella granulovirus

Language:

English

Abstract:

Phthorimaea operculella granulovirus (PhopGV, Baculoviridae) has the potential to serve as biological control agent against Phthorimaea operculella (Zeller) and Tecia solanivora (Povolny) in the potato production cycle and Tuta absoluta (Meyrick) in tomato production under greenhouse conditions. These three pest insect species are closely related and belong all to the Gelechiidae family of Lepidoptera. Due to the climate change and global trade these pest insects have the potential to spread worldwide. PhopGV has already successfully been used as biocontrol agent in Latin America and North Africa mainly against P. operculella in potato field and storehouses. Research on the diversity of PhopGV isolates and their interaction with the host is strongly needed, to gain knowledge which allows optimizing the use of PhopGV as active ingredient of biocontrol agents of these pest insects in food production. This study focused on PhopGV isolates and P. operculella as host system. It embraces the interaction of PhopGV isolates in case of co-infections and the interaction of PhopGV and a microsporidium when infecting the same host individual. A number of nine PhopGV isolates were tested on their biological activity against P. operculella. Median lethal concentration (LC50) and median lethal time (LT50) were determined as comparable measures of isolates´ virulence. PhopGV is a slow-killing virus which is able to inhibit pupation of infected host species. Virulence of different PhopGV isolates seems to be not only virus but also host dependent. Twelve complete genome sequences of PhopGV isolates from passages of virus isolates collected from four different continents (Africa, South America, Asia and Europe) were analysed after Illumina Next Generation Sequencing (NGS). These geographic isolates of PhopGV are genetically highly similar but were rarely genetically homogeneous and appeared in most cases as mixtures of multiple genotypes. A new grouping system (1-4) could be developed based on single nucleotide polymorphisms (SNPs) as well as insertions and deletions (Indels) spread over the PhopGV genome. Further, a highly variable gene of the superoxide dismutase (sod, ORF 54) was identified. Previously, only variability of ecdysteroid UDP–glucosyltransferase (egt, ORF 129) alone was used as a grouping system for PhopGV isolates. Virus infections of insects can easily stay undetected, without showing typically signs of a disease and do not need to be lethal. A virus named PhopGV-R could be isolated from a laboratory population of P. operculella. Crowding of larvae did not cause overt outbreak of the covert virus. An infection with a second homologue virus (PhopGV-CR3) activated the internal virus. Whereas a third isolate, namely PhopGV-GR1, was able to suppress the internal virus and showed superinfection exclusion. This research shows that stable virus infections seem to be common for insect populations and have an impact on population dynamics. It revealed that PhopGV isolates can either tolerate or block each other. A potentially new Nosema species (Nosema sp. Phop) was purified from microsporidian infected individuals of P. operculella. It was found that an infection of P. operculella larvae with Nosema sp. can reduce PhopGV-caused mortality and thus showed an antagonistic effect against PhopGV. These findings of virus-virus and virus-microsporidium interaction can help to predict the mode of action if PhopGV is applied against P. operculella field populations, where other PhopGV isolates or microsporidia can naturally occur.

Alternative Abstract:

Alternative Abstract

Language

Phthorimaea operculella Granulovirus (PhopGV, Baculoviridae) ist ein potentieller biologischer Wirkstoff zur Bekämpfung der Kartoffelmotte, Phthorimaea operculella (Zeller) und der Guatemaltekischen Kartoffelmotte, Tecia solanivora (Povolny) in der Kartoffelproduktion sowie der Tomatenminiermotte, Tuta absoluta (Meyrick) im Gewächshaus bei der Tomatenproduktion. Diese drei genannten Schadinsektenarten gehören alle der Familie Gelechiidae (Lepidoptera) an. PhopGV wurde bereits erfolgreich als biologisches Pflanzenschutzmittel in Lateinamerika und Nordafrika, gegen P. operculella im Feld bzw. Kartoffellager, eingesetzt. Forschung auf dem Gebiet biologischer Bekämpfungsstrategien gegenüber Gelechiidae Arten im Nutzpflanzenanbau ist von sehr großer Bedeutung, da durch Klimaerwärmung und globalen Handel mit Lebensmitteln die weltweite Ausbreitung dieser Schadinsekten begünstigt wird. Daher fällt ein Fokus auf die Diversität natürlich vorkommender Baculovirus Isolate, wie im vorliegenden Fall PhopGV und dessen Interaktion mit seinem Wirt. Der durch diese Forschung erlangte Wissensgewinn kann letztlich deutlich zur Optimiertung des Einsatzes von PhopGV als aktiven Wirkstoff im biologischen Pflanzenschutz dienen. Das angestrebte Ziel, den schädlichen Einfluss von Gelechiidae Arten auf die Lebensmittelproduktion zu vermindern, würde dadurch in greifbare Nähe rücken. Zur Erstellung einer soliden Datenlage für die vorliegende Dissertation wurden zunächst neun PhopGV Isolate auf ihre biologische Aktivität gegenüber P. operculella untersucht. Als Vergleichswerte wurden hierzu die mittlere letale Konzentration (LC50) und die mittlere letale Zeit (LT50) bestimmt. Unter Berücksichtigung, dass es sich bei PhopGV um ein „slow-killing“ Virus handelt, was bedeutet, dass die Mortalität im Vergleich zu anderen Baculoviren erst spät eintritt, wurde die Verpuppungsrate als Parameter in Betracht gezogen. Es zeigte sich, dass eine PhopGV Infektion eine Verpuppung des Wirts verhinderte. Mit anderen Worten werden infizierte Larven zwar nicht sofort durch die Infektion durch das Virus getötet, die dadurch vermittelte Unfähigkeit zur Verpuppung verhindert allerdings das Erreichen des adulten Entwicklungsstadiums und somit auch zuverlässig die Fortpflanzung. PhopGV hat dadurch das Potenzial Wirtspopulationen dauerhaft zu minimieren. Eine weitere Erkenntnis der durchgeführten Biotests war, dass die Virulenz verschiedener PhopGV Isolate nicht nur virus- sondern auch wirtsabhängig zu sein scheint. Mit anderen Worten reagiert eine Wirtspopulation unterschiedlich auf verschiedene Virus Isolate, aber auch ein einzelnes Isolat erzielt unterschiedliche Mortalität, wenn es gegen eine alternative Wirtspopulation eingesetzt wird. Auf Grundlage der unterschiedlichen Ergebnisse der Biotests wurden zwölf PhopGV Isolate ausgewählt, welche Passagen von Isolaten von vier verschiedenen Kontinenten (Afrika, Südamerika, Asien und Europa) waren und per „Illumina Next Generation Sequencing (NGS)“ sequenziert sowie die erhaltenen Daten analysiert. Dabei hat sich gezeigt, dass Isolate ungeachtet der geographischen Herkunft genetisch betrachtet sehr ähnlich, allerdings selten genetisch homogen sind und in den meisten Fällen als Mischung multipler Genotypen auftreten. Auf Grundlage der Sequenzierungsdaten konnte ein neues Gruppierungssystem (1-4) für PhopGV Isolate etabliert werden. Diese Gruppierung legt Polymorphismen, die über das gesamte Virusgenom vorliegen zu Grunde. Des Weiteren war es möglich mit sod (ORF 54) ein variables Gen zu identifizieren. Bisher wurde eine Gruppierung verschiedener PhopGV Isolate lediglich auf Basis eines einzigen variablen Gens namens Ecdysteroid UDP–Glucosyltransferase (egt, ORF 129) durchgeführt. Innerhalb von Insektenpopulationen können dauerhafte, stabile Virusinfektionen leicht unentdeckt bleiben, wenn typische Zeichen einer Erkrankung ausbleiben und der Krankheitsverlauf einen subletalen Charakter aufweist. Ein solches Virus mit dem Namen PhopGV-R konnte von einer P. operculella Laborpopulation isoliert werden. Überbevölkerung, das sogenannte „crowding“ von Larven, führte nicht zum sichtbaren Ausbruch dieses Virus. Doch eine Sekundärinfektion mit einem homologen Virus (PhopGV-CR3) aktivierte das populationsinterne Virus und führte zu einer offen sichtbaren Infektion. Wohingegen ein drittes Virus Isolat mit Namen PhopGV-GR1, das interne Virus blocken konnte und einen Ausschluss der co-Infektion, die sogenannte „superinfection exclusion“, zeigte. Diese Forschung zeigt, dass stabile Virusinfektionen von Insektenpopulationen offenbar nicht die Ausnahme, sondern die Regel darstellen. Die Folge stabiler Virusinfektionen ist ein Einfluss auf die Populationsdynamik. Co-Infektionen von populationsinternen Virus Isolaten mit zusätzlich eingebrachten Virus Isolaten werden in manchen Fällen erlaubt, hingegen in anderen Fällen verhindert. Abschließend konnte ein potentiell neues Mikrosporidium (Nosema sp. Phop) aus P. operculella isoliert und beschrieben werden. Dieses Mikrosporidium zeigte einen antagonistischen Effekt gegenüber PhopGV in P. operculella Larven. Die Erkenntnisse von Virus-Virus sowie Virus-Mikrosporidium Interaktionen können dabei helfen die Wirkweise von PhopGV vorherzusagen, wenn es im Feld gegen P. operculella zum Einsatz kommt, vor dem Hintergrund, dass dort andere PhopGV Isolate oder Mikrosporidien natürlicherweise vorkommen können.

German

Place of Publication:

Darmstadt

Classification DDC:

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie

Divisions:

10 Department of Biology

Date Deposited:

29 Jan 2019 10:03

Last Modified:

09 Jul 2020 02:29

URN: