Advanced

Evolutionary genomics of host-microbe interactions

Videvall, Elin LU (2018)
Abstract (Swedish)
Mikrober finns överallt, runt omkring oss i vår miljö och inuti våra kroppar. De som lever tillsammans med djur har mycket stor påverkan på värdens hälsa och evolutionära fitness. Från ett djurs perspektiv är vissa mikrober goda, andra onda, och vissa har ingen större påverkan på hälsan, men egentligen beror dessa egenskaper på sammanhanget, eftersom det är vanligt att mikrober byter strategi till det som passar stunden bäst. Vi har tyvärr väldigt lite kunskap om hur värdar interagerar molekylärt med olika mikrober, och få studier har gjorts ur ett genomiskt perspektiv på djur som inte tillhör de klassiska studieorganismerna. I denna doktorsavhandling undersöker jag interaktioner mellan mikrober och värdar från flera vinklar, och jag... (More)
Mikrober finns överallt, runt omkring oss i vår miljö och inuti våra kroppar. De som lever tillsammans med djur har mycket stor påverkan på värdens hälsa och evolutionära fitness. Från ett djurs perspektiv är vissa mikrober goda, andra onda, och vissa har ingen större påverkan på hälsan, men egentligen beror dessa egenskaper på sammanhanget, eftersom det är vanligt att mikrober byter strategi till det som passar stunden bäst. Vi har tyvärr väldigt lite kunskap om hur värdar interagerar molekylärt med olika mikrober, och få studier har gjorts ur ett genomiskt perspektiv på djur som inte tillhör de klassiska studieorganismerna. I denna doktorsavhandling undersöker jag interaktioner mellan mikrober och värdar från flera vinklar, och jag använder mig av nya DNA-sekvenseringstekniker för att illustrera en övergripande bild av förhållandet mellan djur och deras mikrober. Mitt avhandlingsarbete omfattar två stora projekt, 1) värd-mikrobiom interaktioner och 2) värd-parasit interaktioner. I det första projektet har jag utvärderat hur man bäst kan provta och mäta mikrobiomet i magen hos fåglar (Kapitel I och II). Olika delar av mag-tarmkanalen analyserades på DNA och visade sig innehålla samhällen av olika mikrober (Kapitel I, II och IV). Jag har sedan kunnat visa att strutsungars mikrobiom koloniseras på ett successivt sätt och gradvis mognar över tid (Kapitel III), samt att mikrobiomet är starkt kopplat till både tillväxt och dödlighet (Kapitel III och IV). I det andra projektet beskrev jag fåglars transkriptom (totala genuttryck) i respons mot en malaria-infektion över tid och i respons mot parasiter med olika virulens (Kapitel V och VI). Fåglar med malariainfektion sätter igång en rad förändringar i sitt genuttryck som involverar till exempel immunsystemet, stressresponsen, regleringen av celldöd och regulatoriska gener. För att utvärdera den molekylära responsen hos malariaparasiter byggde jag ihop transkriptomet av Plasmodium ashfordi och kunde visa att genuttryck hos parasiten är specifik beroende på vilken värd den befinner sig i (Kapitel VII). Detta transkriptom användes därefter, tillsammans med ett genom av Haemoproteus tartakovskyi, för att konstruera ett fylogenetiskt träd av blodparasiter som resulterade i starka bevis för att malariaparasiter som infekterar människor är närmare släkt däggdjursparasiter än fågelparasiter (Kapitel VIII). Slutligen använde jag både parasit-transkriptomet samt genomet för att identifiera vitamin B1-gener i fågelparasiter (Kapitel IX) och för att visa att malariaparasiterna som infekterar fåglar är de eukaryoter som uppvisar de mest AT-rika generna (Kapitel X). Sammanfattningsvis innebär detta arbete nya insikter inom de molekylära interaktioner som äger rum mellan värdar och mikrobiom samt mellan värdar och parasiter. Denna nyvunna kunskap möjliggör en större förståelse för det mångfacetterade förhållandet mellan värdar och deras mikrober. (Less)
Abstract
The microbes living inside hosts have highly important consequences for host health and fitness. From the host’s perspective, some microbes exhibit mutualistic tendencies, others parasitic, and some commensal, but this is context-dependent and opportunistic lifestyles are widespread in nature. Our knowledge of how hosts interact molecularly with different microbes is, however, poor, and little research has been done on non-model organisms from a genomic and community-wide perspective. In this PhD thesis, I investigate host-microbe interactions from multiple angles, and utilize high-throughput sequencing techniques to paint a broad, overarching picture of the relationship between hosts and microbes. My PhD comprised two related projects, 1)... (More)
The microbes living inside hosts have highly important consequences for host health and fitness. From the host’s perspective, some microbes exhibit mutualistic tendencies, others parasitic, and some commensal, but this is context-dependent and opportunistic lifestyles are widespread in nature. Our knowledge of how hosts interact molecularly with different microbes is, however, poor, and little research has been done on non-model organisms from a genomic and community-wide perspective. In this PhD thesis, I investigate host-microbe interactions from multiple angles, and utilize high-throughput sequencing techniques to paint a broad, overarching picture of the relationship between hosts and microbes. My PhD comprised two related projects, 1) host-microbiome interactions and 2) host-parasite interactions. In the former, I have evaluated how to best sample and measure the gut microbiomes of avian hosts (Paper I and II). Different sections of the ostrich gastrointestinal tract were characterized and shown to harbour divergent microbial communities (Paper I, II, and IV). I have further demonstrated that the gut microbiome of juvenile ostriches is colonized in a successional manner and gradually develops over time (Paper III), and is strongly linked to growth and mortality (Paper III and IV). In the second project I described the avian transcriptome response to malaria infection over time and to parasites with different virulence (Paper V and VI). Birds with malaria infection experience a range of transcriptional changes that involves for example the immune system, stress response, cell death regulation, and regulatory genes. To evaluate the molecular response of the malaria parasite, I assembled the blood transcriptome of Plasmodium ashfordi and showed that parasite gene expression is host-specific (Paper VII). This transcriptome was subsequently used, together with a genome assembly of Haemoproteus tartakovskyi, to construct a phylogeny of haemosporidian parasites which showed strong support for a monophyletic clade of mammalian malaria parasites (Paper VIII). Finally, the assembled transcriptome and genome were utilized to identify thiamine biosynthesis enzymes in avian Plasmodium (Paper IX), and to demonstrate that the avian Plasmodium parasites exhibit the most AT-rich genes of eukaryotes (Paper X). In summary, this work offers new insights into host-microbiome and host-parasite interactions, and enables a greater understanding of the multifaceted relationship between hosts and their microbes. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Perkins, Susan, Sackler Institute for Comparative Genomics, American Museum of Natural History, New York, NY, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
host, microbiota, avian malaria, ostrich, parasite, dual RNA-seq
pages
300 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Biology
defense location
Lecture hall “Blå hallen”, Ecology building, Sölvegatan 37, Lund
defense date
2018-04-06 13:00
ISBN
978-91-7753-578-2
978-91-7753-577-5
language
English
LU publication?
yes
id
dd803ebe-939b-4d83-928c-c2f21b7efb64
date added to LUP
2018-03-13 11:20:52
date last changed
2018-05-29 11:14:46
@phdthesis{dd803ebe-939b-4d83-928c-c2f21b7efb64,
  abstract     = {The microbes living inside hosts have highly important consequences for host health and fitness. From the host’s perspective, some microbes exhibit mutualistic tendencies, others parasitic, and some commensal, but this is context-dependent and opportunistic lifestyles are widespread in nature. Our knowledge of how hosts interact molecularly with different microbes is, however, poor, and little research has been done on non-model organisms from a genomic and community-wide perspective. In this PhD thesis, I investigate host-microbe interactions from multiple angles, and utilize high-throughput sequencing techniques to paint a broad, overarching picture of the relationship between hosts and microbes. My PhD comprised two related projects, 1) host-microbiome interactions and 2) host-parasite interactions. In the former, I have evaluated how to best sample and measure the gut microbiomes of avian hosts (Paper I and II). Different sections of the ostrich gastrointestinal tract were characterized and shown to harbour divergent microbial communities (Paper I, II, and IV). I have further demonstrated that the gut microbiome of juvenile ostriches is colonized in a successional manner and gradually develops over time (Paper III), and is strongly linked to growth and mortality (Paper III and IV). In the second project I described the avian transcriptome response to malaria infection over time and to parasites with different virulence (Paper V and VI). Birds with malaria infection experience a range of transcriptional changes that involves for example the immune system, stress response, cell death regulation, and regulatory genes. To evaluate the molecular response of the malaria parasite, I assembled the blood transcriptome of Plasmodium ashfordi and showed that parasite gene expression is host-specific (Paper VII). This transcriptome was subsequently used, together with a genome assembly of Haemoproteus tartakovskyi, to construct a phylogeny of haemosporidian parasites which showed strong support for a monophyletic clade of mammalian malaria parasites (Paper VIII). Finally, the assembled transcriptome and genome were utilized to identify thiamine biosynthesis enzymes in avian Plasmodium (Paper IX), and to demonstrate that the avian Plasmodium parasites exhibit the most AT-rich genes of eukaryotes (Paper X). In summary, this work offers new insights into host-microbiome and host-parasite interactions, and enables a greater understanding of the multifaceted relationship between hosts and their microbes.},
  author       = {Videvall, Elin},
  isbn         = {978-91-7753-578-2},
  keyword      = {host,microbiota,avian malaria,ostrich,parasite,dual RNA-seq},
  language     = {eng},
  pages        = {300},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science, Department of Biology},
  school       = {Lund University},
  title        = {Evolutionary genomics of host-microbe interactions},
  year         = {2018},
}