Genomica e biotecnologie degli insetti di importanza agraria e sanitaria

Responsabili: Proff. Mariangela Bonizzoni e Ludvik Gomulski, Giuliano Gasperi (Professore a contratto), Anna Malacrida (Professore a contratto)

Collaboratori: Francesca Scolari (assegnista), Paolo Gabrieli (assegnista), Patrizia Chiari (tecnico), Liliana Marcorio (tecnico), Alessandro Di Cosimo (dottorando), Grazia Savini (dottorando).

SOMMARIO e PRINCIPALI LINEE DI RICERCA

Il cambiamento climatico e demografico, l'aumento di scambi commerciali, l'urbanizzazione e gli spostamenti umani hanno facilitato la diffusione di specie d’insetti invasivi, ad alto impatto economico e sanitario, come per esempio la zanzara tigre, che e’ vettore di molti virus patogeni all’uomo, e le mosche della frutta, che sono pesti agricole.
I rischi dovuti all’invasione di queste specie d’insetti sono aggravati dalla mancanza di vaccini e terapie per i patogeni da loro trasmessi, come i virus Dengue, Chikungunya e Zika, e dall’insorgenza di fenomeni di resistenza agli insetticidi, che attualmente rappresentano lo strumento piu’ usato per il loro controllo.
Il gruppo di ricerca si occupa della genomica, trascrittomica, proteomica e metabolomica e della genetica di popolazione ed evoluzionistica d’insetti d’interesse agrario e sanitario allo scopo di capirne e prevenirne l’ulteriore diffusione e sviluppare  innovativi sistemi di controllo che siano ecosostenibili. Utilizziamo inoltre approcci di transgenesi e genetica inversa sia per lo studio dei meccanismi sottesi alla riproduzione degli insetti che per migliorare attuali metodi genetici di controllo.

Le specie di insetti attualmente in studio sono:
Vettori di patogeni:

  • zanzare: Aedes albopictus e Aedes aegypti, vettori di virus quali Zika, Dengue e Chikungunya.
  • mosche tsetse: Glossina spp (Diptera, Glossinidae), vettori di Trypanosoma che causa la tripanosomiasi africana umana o malattia del sonno e la tripanosomiasi africana animale o Nagana.

Pesti agricole:

L’attivita’ del laboratorio si concentra sulle mosche della frutta (fruit flies, Diptera, Tephritidae), di origine africana e/o asiatica che, essendo altamente invasive, sono state recentemente introdotte nei Paesi dell’Europa Meridionale e nelle Americhe producendo ingenti danni economici:

  • Ceratitis capitata, mosca mediterranea della frutta
  • Bactrocera oleae, mosca dell’olivo
  • Bactrocera dorsalis ss, mosca orientale della frutta
  • Anastrepha fraterculus, mosca sud-americana della frutta
1) Sequenziamento ed annotazione dei genomi per identificare geni correlati con la riproduzione, l'adattamento, la chemiorecezione e l'immunita'

Questi studi sono fatti all’interno di consorzi scientifici internazionali:

  • Ceratitis capitata (progetto congiunto di Baylor College of Medicine, Human Genome Sequencing Center, US Department of Agriculture, e Università di Pavia) e l'iniziativa i5K;
  • Aedes albopictus (nell'ambito di EC-FP7 Infrastructure - INFRAVEC coordinato da Imperial College London, e un consorzio americano-cinese, coordinato da Anthony James and Xiao-Guang Chen);
  • 5 specie di Glossina (IGGI Consortium, coordinato da Yale University)

Pubblicazioni rilevanti:

Genome sequence of the tsetse fly (Glossina morsitans): vector of African trypanosomiasis. Science (2014) 344: 380-6.
Genome sequence of the Asian Tiger mosquito, Aedes albopictus, reveals insights into its biology, genetics, and evolution. Proc Natl Acad Sci USA (2015) 112: E5907-15.
A draft genome sequence of an invasive mosquito: an Italian Aedes albopictus. Pathog Glob Health (2015) 109:207-20.
Presence of extensive Wolbachia symbiont insertions discovered in the genome of its host Glossina morsitans morsitans. PLoS Negl Trop Dis. 2014 Apr 24;8(4):e2728.
The genome of the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata (Wiedemann), reveals insights into the biology and adaptive evolution of a highly invasive pest species. Under review in Genome Biology.

2) Origine e diffusione della zanzara tigre e delle mosche della frutta

Abbiamo caratterizzato marcatori molecolari ad alta risoluzione, quali microsatelliti e SNPs, in Ae. albopictus, C. capitata e altre fruit flies e li abbiamo applicati per studiare i legami genetici tra le popolazioni ancestrali e derivate e per caratterizzarne i processi d’invasione. Abbiamo applicato anche marcatori mitocondriali, in associazione ai microsatelliti, per studiare l’origine di Ae. albopictus in California ed, in collaborazione con il prof. Torroni, per studiare la variabilita’ macrogegrafica di popolazioni ancestrali e recentemente derivate di Ae. albopictus.

Pubblicazioni rilevanti:

Relevant genetic differentiation among Brazilian populations of Anastrepha fraterculus (Diptera, Tephritidae). Zookeys. 2015 Nov 26;(540):157-73.
Molecular markers for analyses of intraspecific genetic diversity in the Asian Tiger mosquito, Aedes albopictus. Parasit Vectors. 2015 Mar 28;8:188.
The oriental fruitfly Bactrocera dorsalis s.s. in East Asia: disentangling the different forces promoting the invasion and shaping the genetic make-up of populations. Genetica. 2014 Jun;142(3):201-13.
Microsatellite markers from the 'South American fruit fly' Anastrepha fraterculus: a valuable tool for population genetic analysis and SIT applications. BMC Genet. 2014;15 Suppl 2:S13.
Genetic analysis of invasive Aedes albopictus populations in Los Angeles County, California and its potential public health impact. PLoS One (2013) 8:e68586.
A new threat looming over the Mediterranean basin: emergence of viral diseases transmitted by Aedes albopictus mosquitoes. PLoS Negl Trop Dis. 2012;6(9):e1836.
The utility of microsatellite DNA markers for the evaluation of area-wide integrated pest management using SIT for the fruit fly, Bactrocera dorsalis (Hendel), control programs in Thailand. Genetica. 2011 Jan;139(1):129-40.
Uncovering the tracks of a recent and rapid invasion: the case of the fruit fly pest Bactrocera invadens (Diptera: Tephritidae) in Africa. Mol Ecol. 2009 Dec;18(23):4798-810.
Isolation and characterization of microsatellite markers in the newly discovered invasive fruit fly pest in Africa, Bactrocera invadens (Diptera: Tephritidae). Mol Ecol Resour. 2008 Nov;8(6):1509-11.
Globalization and fruitfly invasion and expansion: the medfly paradigm. Genetica. 2007 Sep;131(1):1-9.

3) Genomica funzionale, proteomica e metabolomica dei processi riproduttivi

Approcci di RNAseq, microarray, proteomica e di RNA interference vengono applicati per individuare i geni e le proteine che sono correlate alla maturazione sessuale e all’accoppiamento di diversi insetti.

Pubblicazioni rilevanti:

The Spermatophore in Glossina morsitans morsitans: Insights into Male Contributions to Reproduction. Sci Rep. 2016 Feb 5;6:20334.
How functional genomics will impact fruit fly pest control: the example of the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata. BMC Genet. 2014;15 Suppl 2:S11.
Transcriptome profiling of sexual maturation and mating in the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata. PLoS One. 2012;7(1):e30857.
Transcriptional profiles of mating-responsive genes from testes and male accessory glands of the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata. PLoS One. 2012;7(10):e46812.
Gene discovery in an invasive tephritid model pest species, the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata. BMC Genomics. 2008 May 23;9:243.

4) Analisi del comportamento riproduttivo mediante approcci molecolari e di transgenesi (GMOs)

Approcci molecolari, inclusi insetti transgenici, sono utilizzati per studiare le dinamiche di accoppiamento, la competizione spermatica e l'uso degli spermi nelle diverse specie. Questi studi sono basilari sia per l'implementazione di metodi di controllo eco-compatibili quali la Tecnica dell'Insetto Sterile (SIT).

Pubblicazioni rilevanti:

Polyandry in the medfly - shifts in paternity mediated by sperm stratification and mixing. BMC Genet. 2014;15 Suppl 2:S10.
Towards mosquito sterile insect technique programmes: exploring genetic, molecular, mechanical and behavioural methods of sex separation in mosquitoes. Acta Trop. 2014 Apr;132 Suppl:S178-87.
Polyandry is a common event in wild populations of the Tsetse fly Glossina fuscipes fuscipes and may impact population reduction measures. PLoS Negl Trop Dis. 2011 Jun;5(6):e1190.
Safe and fit genetically modified insects for pest control: from lab to field applications. Genetica. 2011 Jan;139(1):41-52.
Sperm storage and use in polyandrous females of the globally invasive fruitfly, Ceratitis capitata. J Insect Physiol. 2010 Nov;56(11):1542-51.
Site-specific recombination for the modification of transgenic strains of the Mediterranean fruit fly Ceratitis capitata. Proc Natl Acad Sci U S A (2009) 106:18171.
Fluorescent sperm marking to improve the fight against the pest insect Ceratitis capitata (Wiedemann; Diptera: Tephritidae). N Biotechnol. 2008 Jun;25(1):76-84.

5) Analisi della chemiorecezione

Vengono caratterizzati i geni, e funzionalmente analizzate le proteine codificate, che sono coinvolti nella interazione insetto-ospite e insetto-insetto, cioè geni e proteine responsabili della percezione 1) degli odori emessi dalla pianta ospite e quindi coinvolti nell'attrazione/repulsione verso insetti fitofagi; 2) degli odori emessi da un ospite vertebrato e quindi coinvolti nell'attrazione di insetti ematofagi quali zanzare e mosche tsetse; 3) degli odori (feromoni) coivolti nel processo di accoppiamento e ovideposizione. Per tali analisi, viene utilizzato un approccio integrato di genomica funzionale, proteomica, biologia strutturale, elettrofisiologia accoppiata a gas cromatografia e spettrometria di massa. Questa linea di ricerca ha notevoli risvolti a livello di sviluppo di repellenti ed attrattivi.

6) Approcci biochimici per lo studio dei componenti della saliva della zanzara tigre

Le femmine delle zanzare richiedono un pasto di sangue per lo sviluppo delle uova e, quando pungono un individuo infetto da un virus o parassita, esse possono acquisire il patogeno. La saliva della zanzara contiene proteine farmacologicamente importanti, con funzione di vasodilatatori, anticoagulanti e con attività anti-emostatici che facilitano l'acquisizione del sangue. Le proteine della saliva sono anche note per modulare e migliorare la trasmissione dei patogeni. In questo progetto, ci proponiamo in primo luogo di caratterizzare le componenti della saliva di Ae. albopictus e poi studieremo le funzioni biochimiche e molecolari di un sotto-insieme di queste proteine.

7) Trascrittomica per lo studio della resistenza agli insetticidi e sviluppo di nuovi bio-insetticidi

Vengono analizzati i meccanismi di resistenza agli insetticidi chimici, con particolare riferimento ai piretroidi. Inoltre, si sta cercando di identificare nuove molecole prodotte da batteri isolati dal suolo ed aventi azione bio-insetticida.

Pubblicazioni rilevanti:

RNA-seq analyses of changes in the Anopheles gambiae transcriptome associated with resistance to pyrethroids in Kenya: identification of candidate-resistance genes and candidate-resistance SNPs. Parasit Vectors (2015) 8:474.
Comparative transcriptome analyses of deltamethrin-resistant and -susceptible Anopheles gambiae mosquitoes from Kenya by RNA-Seq. PLoS One (2012) 7:e44607.

COLLABORAZIONI

Nazionali

  • Università di Pavia: Andrea Mattevi, Federico Forneris, Alessandra Albertini, Antonio Torroni, Luigi Casella, Enrico Monzani, Eugenio Regazzini, Federico Bassetti, Riccardo Bellazzi, Giovanni Maga, Federico Focher, Daniele Merli, Barbara Mannucci, Antonella Lisa
  • Università di Perugia: Andrea Crisanti, Philippos Papathanos
  • Università Federico II (Napoli): Francesco Pennacchio, Giuseppe Saccone
  • Fondazione Edmund Mach
  • Istituto zooprofilattico sperimentale della Lombardia e dell'Emilia Romagna, delle Venezie, del Piemonte, Liguria e Valle d'Aosta
  • Istituto Superiore di Sanità
  • Centro Agricoltura Ambiente

Internazionali

  • FAO/IAEA (Vienna, Austria)
  • Yale School of Public Health, & Dept. of Ecology and Evolutionary Biology, New Haven, USA
  • Institut Pasteur
  • Imperial College, London
  • European Bioinformatics Institute, Hinxton, UK
  • Baylor College of Medicine, Houston, TX, USA
  • USDA, US Department of Agriculture
  • ICIPE, International Centre of Insect Physiology and Ecology
  • University of California, Irvine
  • Johns Hopkins University
  • Vanderbilt University, Nashville, Tennessee, USA
  • Southern Medical University, Guangzhou, China
  • Royal Museum for Central Africa, Tervuren, Belgium
  • Bioiberica, S.A., Barcelona, Spain
  • University of Goettingen, Germany
  • University of Giessen, Germany
  • Slovak Academy of Sciences, Bratislava, Slovakia
  • Institute of Entomology a Ceské Budejovice, Czech Republic
  • CNRS di Gif-sur-Yvette, Francia

Contratti di ricerca attivi

  • Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) (PIs Nikolai Windbichler, Malacrida & Scolari collaborators)
  • Bioiberica S.A., Barcelona, Research Contract (01/07/2015-current) (PI Scolari)
  • ERC Consolidator NIRV_HOST_INT (2016-2021) (PI Bonizzoni)
  • FAO/IAEA research CRP project # 17896 (2013-18) (PI Scolari)
  • FAO/IAEA Program of the United Nations project #17630 (2013-18) (PI Malacrida)
  • FAO/IAEA research CRP project #19049R0 (2015-2020) (PI Gomulski, Gasperi)
  • "Fight the mosquito bite” (Universitiamo Crowd-funding initiative, University of Pavia) (2015-present) (PIs Gasperi, Malacrida)
  • Fondazione Bussolera Branca (2015-17) (PIs Gasperi, Albertini)
  • NIH R21Al109263-01 (2014-17) (PI Malacrida)
  • USDA - University of Pavia - Baylor College “Consortium for genome sequencing of the Medfly, Ceratitis capitata” (2010 - present) (PI Gasperi)
  • Vectorbase-NIH Project "Comparative Genomics of 5 Glossina species" (PI Malacrida)
 

SOMMARIO e PRINCIPALI LINEE DI RICERCA