Genomic analysis of pesticide resistance in major and emerging arthropod pests

Abstract

Arthropod pests pose critical threats to both agricultural production and public health through their devastating impact on crop yields and transmission of life-threatening diseases. While chemically synthesized pesticides have emerged as the most effective control strategy over the last decades, their intensive application has led to widespread development of resistance through strong selection pressure. This escalating challenge of pesticide resistance necessitates a comprehensive understanding of the genomic and molecular mechanisms underlying xenobiotic adaptations in arthropod pests, to enable the development of both molecular diagnostic tools and more effective pest management strategies. This PhD thesis investigated genomic variation associated with xenobiotic adaptation in two significant agricultural pests and eleven disease vectors, using genomic and transcriptomic approaches. In Chapter 2, we developed high-quality long-read (PacBio) genome assemblies for eight selected Tetranychus urticae strains with varying resistance and host plant adaptation phenotypes. Using these long-read genome assemblies we manually curated nearly 1,000 Cytochrome P450 (CYP) genes and determined their copy number variation. We found that gene amplifications primarily occur in select CYP subfamilies, while we also elucidated the genomic origins and resolved the genomic rearrangements that led to those gene amplifications. Using strain-specific RNAseq we also identified three CYP amplifications which are associated with increased gene dosage. In Chapter 3, we identified an abamectin and spiromesifen resistant A. lycopersici strain and studied its transcriptional responses associated with acaricide resistance and host plant adaptation. The abamectin resistance phenotype was partially attributed to functionally validated abamectin target-site mutations, which were detected for the first time in this pest. In the resistant strain, we also detected a fixed mutation in the spiromesifen target, as well as two upregulated cytochrome P450s (CYPs) and UDP-glycosyltransferases (UGTs). Analysis of A. lycopersici transcriptional patterns upon short-term host plant transfer revealed differential expression of genes involved in proteolysis, lipid metabolism and detoxification processes. In Chapter 4, we assembled the transcriptomes of 11 phlebotomine sand fly species and used them to annotate and explore the evolutionary dynamics of >2,700 detoxification and insecticide target genes. We showed that sand flies have evolved diverse CYP and glutathione-S-transferase (GST) gene repertoires, including including notable expansions in gene groups related to known xenobiotic metabolizers. Our study significantly improves our understanding of how xenobiotic detoxification has evolved in sand flies and provides candidate genes for future molecular studies on sand fly adaptations to xenobiotics, including insecticide resistance. The findings and conclusions generated in this PhD study provide new biological insights and fundamental genomic resources that expand our understanding on how arthropod pests adapt to both naturally occurring and chemically synthesized xenobiotics, ultimately contributing to the development of more effective pest management strategies.

Τα αρθρόποδα παράσιτα αποτελούν κρίσιμες απειλές τόσο για τη γεωργική παραγωγή όσο και για τη δημόσια υγεία μέσω των καταστροφικών τους επιπτώσεων στις αποδόσεις των καλλιεργειών και στη μετάδοση απειλητικών για τη ζωή ασθενειών. Ενώ τα χημικά συντιθέμενα παρασιτοκτόνα έχουν αναδειχθεί ως η πιο αποτελεσματική στρατηγική ελέγχου τις τελευταίες δεκαετίες, η εντατική εφαρμογή τους έχει οδηγήσει σε ευρεία ανάπτυξη ανθεκτικότητας μέσω ισχυρής πίεσης επιλογής. Αυτή η κλιμακούμενη πρόκληση της ανθεκτικότητας στα παρασιτοκτόνα απαιτεί μια ολοκληρωμένη κατανόηση των γονιδιωματικών και μοριακών μηχανισμών που διέπουν τις ξενοβιοτικές προσαρμογές στα αρθρόποδα παράσιτα, προκειμένου να καταστεί δυνατή η ανάπτυξη τόσο μοριακών διαγνωστικών εργαλείων όσο και πιο αποτελεσματικών στρατηγικών διαχείρισης παρασίτων. Η διδακτορική διατριβή αυτή διερεύνησε τη γονιδιωματική παραλλαγή που σχετίζεται με την προσαρμογή στα ξενοβιοτικά σε δύο σημαντικά γεωργικά παράσιτα και έντεκα φορείς ασθενειών, χρησιμοποιώντας γονιδιωματικές και μεταγραφωματικές προσεγγίσεις. Στο Κεφάλαιο 2, αναπτύξαμε υψηλής ποιότητας γονιδιώματα για οκτώ επιλεγμένα στελέχη Tetranychus urticae με διαφορετικούς φαινοτύπους ανθεκτικότητας και προσαρμογής σε φυτά-ξενιστές. Χρησιμοποιώντας αυτά τα γονιδιώματα χαρακτηρίσαμε αναλυτικά σχεδόν 1.000 γονίδια κυτοχρωματικών οξειδασών P450 (CYP) και προσδιορίσαμε την παραλλαγή του αριθμού αντιγράφων τους. Βρήκαμε ότι οι γονιδιακές ενισχύσεις εμφανίζονται κυρίως σε επιλεγμένες CYP υποοικογένειες, ενώ επίσης εντοπίσαμε τη γονιδιωματική προέλευση αυτών των γονιδιακών ενισχύσεων και χαρακτηρίσαμε τις γονιδιωματικές αναδιατάξεις που οδήγησαν σε αυτές τις γονιδιακές ενισχύσεις. Χρησιμοποιώντας επίσης RNAseq δεδομένα, εντοπίσαμε επίσης τρεις ενισχύσεις CYP που σχετίζονται με αυξημένη γονιδιακή δόση. Στο Κεφάλαιο 3, εντοπίσαμε ένα στέλεχος A. lycopersici ανθεκτικό στα abamectin και spiromesifen, και μελετήσαμε τις μεταγραφωματικές του αποκρίσεις που σχετίζονται με την ανθεκτικότητα στα ακαρεοκτόνα και την προσαρμογή του σε φυτά-ξενιστές. Ο φαινότυπος ανθεκτικότητας στο abamectin αποδόθηκε εν μέρει σε λειτουργικά επικυρωμένες μεταλλαγές στη θέση στόχου του abamectin, οι οποίες ανιχνεύθηκαν για πρώτη φορά σε αυτό το παράσιτο. Στο ανθεκτικό στέλεχος, εντοπίσαμε επίσης μια μεταλλαγή στο στόχο του spiromesifen, καθώς και δύο υπερεκφραζόμενα γονίδια CYP και UDP-γλυκοζυλοτρανσφερασών (UGTs). Η ανάλυση των μεταγραφικών προτύπων του A. lycopersici κατά τη βραχυπρόθεσμη μεταφορά σε διαφορετικά φυτά-ξενιστές αποκάλυψε διαφορική έκφραση γονιδίων που εμπλέκονται στην πρωτεόλυση, το μεταβολισμό των λιπιδίων και τις διαδικασίες αποτοξικοποίησης. Στο Κεφάλαιο 4, συναρμολογήσαμε τα μεταγραφώματα 11 ειδών σκνιπών και τα χρησιμοποιήσαμε για να χαρακτηρίσουμε και να εξερευνήσουμε την εξελικτική δυναμική >2.700 γονιδίων αποτοξικοποίησης και στόχων εντομοκτόνων. Δείξαμε ότι οι σκνίπες έχουν αναπτύξει εξελικτικά διαφοροποιημένα ρεπερτόρια γονιδίων CYP και γλουταθειόνης-S-τρανσφερασών (GST), συμπεριλαμβανομένων αξιοσημείωτων επεκτάσεων σε ομάδες γονιδίων που σχετίζονται φυλογενετικά με χαρακτηρισμένους μεταβολιστές ξενοβιοτικών ουσιών. Η μελέτη μας βελτιώνει σημαντικά την κατανόησή μας για το πώς έχει εξελιχθεί η αποτοξικοποίηση ξενοβιοτικών στις σκνίπες και παρέχει υποψήφια γονίδια για μελλοντικές μοριακές μελέτες σχετικά με τις προσαρμογές των σκνιπών στα ξενοβιοτικά, συμπεριλαμβανομένης της ανθεκτικότητας στα εντομοκτόνα. Τα ευρήματα και τα συμπεράσματα που προέκυψαν σε αυτή τη διδακτορική μελέτη παρέχουν νέες βιολογικές γνώσεις και θεμελιώδεις γονιδιωματικούς πόρους που διευρύνουν την κατανόησή μας για το πώς τα αρθρόποδα προσαρμόζονται τόσο στα φυσικά όσο και στα χημικά συντιθέμενα ξενοβιοτικά, συμβάλλοντας τελικά στην sανάπτυξη πιο αποτελεσματικών στρατηγικών διαχείρισης παρασίτων.