Studies on fatty acid de novo synthesis and metabolism in free-living and parasitic nematodes and their feeding sites in plants

Abstract

Lipids are essential constituents of prokaryotic and eukaryotic cells being involved in membrane biogenesis, signaling and energy storage. Furthermore, organisms have evolved different ways to obtain and synthesize these molecules which is reflected in the various life styles. Whereas plants are capable to synthesize all their required lipids de novo, some animals like nematodes depend at least partly on dietary lipid supply. Nematodes are microscopic, ubiquitously present roundworms comprising free-living as well as plant- and animal-parasitic species. Among the plant parasitic nematodes, the sedentary cyst nematodes such as Heterodera sp. are economically important as they infect crops like soy bean and sugar beet. After invading a host plant, cyst nematodes establish a feeding site that acts as a sink tissue for plant metabolites supplying nutrients to the nematode. <br /> In this work, I was interested to probe the importance of fatty acid de novo synthesis and dietary supply of fatty acids in the interaction between Heterodera schachtii and Arabidopsis thaliana. <br /> To study fatty acid de novo synthesis, I determined the mode of action of spirotetramat (SPT) on the free living nematode C. elegans. Using a series of in vivo, biochemical, imaging and enzyme assays I show that SPT inhibits C. elegans acetyl-CoA carboxylase (ACC) causing developmental arrest. Follow-up studies using H. schachtii and A. thaliana show that foliar applied SPT also causes developmental arrest in cyst nematodes. Bioinformatics revealed the presence of a H. schachtii ACC similar to other nematode ACC´s and its knock down by RNAi phenocopied the effect of foliar applied SPT. Together this suggest that cyst nematodes are depending on ACC activity for fatty acid de novo synthesis that is essential for development. <br /> To study the involvement of dietary fatty acid supply, I first determined the lipidome of the nematode feeding sites which supply all required nutrients for the nematodes’ development. Most lipids were found at higher levels with triacylglycerol (TAG) showing the strongest fold-increase. Transcriptomic analysis suggested that increased syncytial fatty acid de novo synthesis and inhibition of lipolysis might be involved in TAG accumulation. This allowed candidate genes to be identified. Arabidopsis insertional lines for these candidate genes with impaired lipolytic capability favored nematode development. These findings support a concept of increased nutritional value of the feeding site due to impaired lipolysis and possibly increased TAG availability. <br /> In conclusion, fatty acid de novo synthesis and dietary lipids are involved in cyst nematode development. Moreover, understanding the biology of these pathways can be translated into improved crop plants and novel approaches for nematode control.

Lipide sind wesentliche Bestandteile von prokaryotischenund eukaryotischen Zellen und sind beteiligt in Membranbiogenese, Signal- und Energiespeicherung. Darüber hinaus entwickelten Organismen unterschiedliche Strategien um diese Moleküle aufzunehmen und zu synthetisieren. Diese verschiedenen Strategien spiegeln sich in den Lebensweisen der verschiedenen Organismen wider. Während Pflanzen in der Lage sind, alle ihre benötigten Lipide de novo zu synthetisieren sind einige Tiere wie Nematoden zumindest teilweise auf Lipide angewiesen, die mit der Nahrung aufgenommen werden. Nematoden sind mikroskopisch kleine, ubiquitär vorkommende Fadenwürmer, zu denen freilebende, sowie Pflanzen- und Tierparasitäre Arten zählen. Bei den pflanzenparasitären Nematoden, sind die sedentären Zystennematoden, wie Heterodera sp., landwirtschaftlich relevant, da sie Kulturpflanzen wie Sojabohnen und Zuckerrüben infizieren. Nach der Invasion einer geeigneten Wirtspflanze induziert der Nematod ein Nährzellsystem, das als Sink-Gewebe für Pflanzenmetabolite wirkt und für den Nematoden Nährstoffe produziert.<br /> In dieser Arbeit war ich daran interessiert, die Bedeutung der Fettsäure de novo Synthese und Nahrungsversorgung durch Fettsäuren in der Wechselwirkung zwischen Heterodera schachtii und Arabidopsis thaliana zu untersuchen.<br /> Um die Fettsäure de novo Synthese zu studieren war ich erst daran interessiert die Wirkungsweise von Spirotetramat (SPT) auf den frei lebenden Fadenwurm Caenorhabditis elegans zu bestimmen. Mit einer Reihe von in vivo, biochemischen, bildgebenden und Enzymaktivitätstests zeige ich, dass SPT die Aktivität der Acetyl-CoA-Carboxylase (ACC) von C. elegans hemmt und einen Entwicklungsstillstand verursacht. Studien mit H. schachtii und A. thaliana zeigen, dass foliar-appliziertes SPT auch bei Zystennematoden einen Entwicklungsstillstand hervorruft. Bioinformatisch kann die Anwesenheit einer H. schachtii ACC, ähnlich der von anderen Nematoden gezeigt werden und ihr Knockdown mittels RNAi gleicht der Wirkung von SPT. Zusammen legt dies nah, dass Zystennematoden auf die Aktivität der ACC angewiesen sind, da sie für die Synthese von Fettsäuren, die für die Entwicklung der Nematoden gebraucht werden, essentiell ist.<br /> Um die Beteiligung der Nematoden Nahrungsversorgung durch Fettsäuren zu studieren bestimmte ich das Lipidom des Nährzellsystem, das alle erforderlichen Nährstoffe für die Nematoden Entwicklung liefert. Obwohl die meisten quantifizierten Lipidklassen einen Anstieg zeigten war Triacylglycerol (TAG) am stärksten angereichert. Transkriptom-Analysen isolierter Nährzellsysteme, zeigte eine gesteigerte Fettsäure de novo Synthese und die Hemmung der Lipolyse als mögliche Ursachen der TAG Akkumulation und erlaubte mir die Identifizierung von Kandidatengenen. Arabidopsis Insertionslinien für diese Kandidatengene mit eingeschränkter lipolytischer Fähigkeit wiesen eine begünstigte Nematodenentwicklung auf. Diese Ergebnisse unterstützen ein Konzept eines erhöhten Nährwerts des Nährzellsystems aufgrund eingeschränkter Lipolyse und möglicherweise erhöhter TAG-Verfügbarkeit für den Nematoden.<br /> Zusammenfassend wirken sich Fettsäure de novo Synthese und Nahrungs-Lipide auf die Zystennematoden Entwicklung aus. Ein Verständnis dieser Biologie kann in die Verbesserung von Kulturpflanzen und neuartige Ansätze zur Nematodenkontrolle übersetzt werden.