Embryonic development of the pea aphid Acyrthosiphon pisum: characterisation of metabolic pathways and key-genes regulating its trophic interaction with Buchnera aphidicola
Développement embryonnaire du puceron Acyrthosiphon pisum : caractérisation de voies métaboliques et gènes clé dans les intéractions trophiques avec Buchnera aphidicola
Résumé
Aphids are among the main crop pests in temperate regions. Their success as parasites of plants is based on their strong reproductive output due to parthenogenetic reproduction during spring and summer and to their symbiosis with Buchnera aphidicola. This obligatory symbiotic bacterium supplies aphids with essential amino acids poorly available in their unbalanced food (the phloem sap of plants), and so contributes to their development and reproduction. The first part of this work consisted in determining amino acid needs of different embryonic stages, in order to identify key factors of the symbiotic association during the pea aphid development. This study, led on embryos taken in vivo or cultivated in vitro in culture media, allowed us to identify: i) the evolution of metabolic requirements of embryos during development, ii) a dependence of embryos from the maternal compartment for their supply in amino acids, and iii) strong needs in aromatic amino acids, particularly in tyrosine, of the late embryonic stages and the early first larval stage of the pea aphid. The second part of this thesis had for objective the identification of key genes inside pathways revealed by the metabolic approach. Using a dedicated oligonucleotides microarray, the gene expression profiles of the aphid were analysed during the development of the insect. The functional analysis of different gene groups showed that genes involved in amino acids metabolism are globally over-expressed, but they also showed significant transcriptional regulations in the switches between the different stages studied here. The metabolic pathway of aromatic amino acids and particularly the genes involved in the biosynthesis of tyrosine, as well as genes / pathways involved in the formation and the maturation of the cuticle, were among the most solicited in the late embryos. These transcriptomic results, taken together with those obtained by the metabolic approach, suggest that the amino acid tyrosine is synthesized and accumulated by the pea aphid during its embryonic development, in order to later be used as precursor for the sclerotization and the cuticular tanning, processes that occur after insect laying. The last part of this work consisted in a functional analysis of the gene ACYPI007803, coding the enzyme catalysing the tyrosine synthesis from the phenylalanine, by using the RNA interference (RNAi) technique. An increase of the mortality of larvae laid by the treated females was correlated with the decrease of the expression of the target gene in the symbiotic compartments (the embryonic fraction and the maternal bacteriocytes) so confirming the key role of the ACYPI007803 gene in the development of the pea aphid embryos.
Les pucerons sont parmi les principaux ravageurs des cultures dans les régions tempérées. Leur succès comme parasites de plantes repose sur leur fort potentiel reproductif dû à la parthénogénèse durant le printemps et l'été ainsi qu'à la symbiose avec Buchnera aphidicola. Cette bactérie symbiotique obligatoire fournit aux pucerons les acides aminés essentiels qui sont déficients dans leur alimentation déséquilibrée (constituée essentiellement de la sève élaborée des plantes), et contribue ainsi à leur développement et reproduction. Le premier volet de ce travail de thèse a consisté à déterminer les besoins en acides aminés des différents stades du développement embryonnaire et larvaire, afin d'identifier des facteurs clé de l'association symbiotique au cours du développement du puceron du pois. L'étude de la teneur et de la composition en acides aminés protéiques et libres met en évidence des exigences métaboliques évoluant entre les différents stades de développement du puceron. Afin de différencier l'implication de chaque compartiment (maternel, embryonnaire) dans la nutrition des embryons, ces derniers ont été mis en culture dans des milieux ayant des compositions différentes en acides aminés. Les plus faibles croissance et synthèse protéique observées chez les embryons qui se développent sur milieux carencés, montrent leur dépendance au compartiment maternel pour leur approvisionnement en acides aminés. L'ensemble de ces études révèle que de forts besoins en acides aminés aromatiques, notamment en tyrosine, caractérisent les stades embryonnaires tardifs et le premier stade larvaire précoce chez le puceron du pois. Le deuxième volet de cette thèse a alors eu pour objectif l'identification de gènes cibles à l'intérieur des voies révélées par l'approche métabolique. A l'aide d'une puce à ADN, contenant 24 011 transcrits codés par le génome du puceron du pois, les profils d'expression des gènes du puceron ont été analysés au cours du développement de l'insecte. L'analyse fonctionnelle des différents groupes de gènes ainsi repérés montre que les gènes liés au métabolisme des acides aminés présentent de hauts niveaux d'expression mais également des variations significatives dans les passages entre les différents stades. La voie métabolique des acides aminés aromatiques et tout particulièrement les gènes menant à la synthèse de la tyrosine sont parmi les plus sollicités chez les embryons tardifs. Notre analyse montre également une forte sollicitation des gènes/voies liés à la formation et à la maturation de la cuticule dans les stades embryonnaires précédents la ponte. L'ensemble des résultats obtenus par les approches métabolique et transcriptomique suggère ainsi une synthèse et une accumulation de tyrosine au cours du développement embryonnaire, en vue de son utilisation comme précurseur pour la sclérotisation et le tannage cuticulaire après la ponte. Par conséquent, le dernier volet de ce travail de thèse a consisté en une analyse fonctionnelle du rôle du gène ACYPI007803, codant l'enzyme catalysant la synthèse de la tyrosine à partir de la phénylalanine, par la technique d'ARN interférence (RNAi). Une augmentation de la mortalité des larves pondues par les femelles traitées est corrélée à la diminution de l'expression du gène cible dans les compartiments symbiotiques (les chaines embryonnaires et les bactériocytes maternels) et confirme ainsi le rôle clé du gène ACYPI007803 dans le développement des embryons chez le puceron du pois.