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Background: For over a century, scientists have studied host-pathogen interactions between the crayfish plague disease agent Aphanomyces astaci and freshwater crayfish. It has been hypothesised that North American crayfish hosts are disease-resistant due to the long-lasting coevolution with the pathogen. Similarly, the increasing number of latent infections reported in the historically sensitive European crayfish hosts seems to indicate that similar coevolutionary processes are occurring between European crayfish and A. astaci. Our current understanding of these host-pathogen interactions is largely focused on the innate immunity processes in the crayfish haemolymph and cuticle, but the molecular basis of the observed disease-resistance and susceptibility remain unclear. To understand how coevolution is shaping the host’s molecular response to the pathogen, susceptible native European noble crayfish and invasive disease-resistant marbled crayfish were challenged with two A. astaci strains of different origin: a haplogroup A strain (introduced to Europe at least 50 years ago, low virulence) and a haplogroup B strain (signal crayfish in lake Tahoe, USA, high virulence). Here, we compare the gene expression profiles of the hepatopancreas, an integrated organ of crayfish immunity and metabolism.
Results: We characterised several novel innate immune-related gene groups in both crayfish spe cies. Across allchallenge groups, we detected 412 differentially expressed genes (DEGs) in the noble crayfish, and 257 DEGs in the marbled crayfish. In the noble crayfish, a clear immune response was detected to the haplogroup B strain, but not to the haplogroup A strain. In contrast, in the marbled crayfish we detected an immune response to the haplogroup A strain, but not to the haplogroup B strain. Conclusions: We highlight the hepatopancreas as an important hub for the synthesis of immune molecules in the response to A. astaci. A clear distinction between the innate immune response in the marbled crayfish and the noble crayfish is the capability of the marbled crayfish to mobilise a higher variety of innate immune response effectors.
Weltweit sind ein Drittel bis die Hälfte der Flusskrebsarten von Populationsrückgang oder Aussterben bedroht. Neben einer Verschlechterung der Habitate, Umweltverschmutzung und anderen vom Menschen verursachten Umweltveränderungen stellen eingeschleppte exotische Arten und Krankheitserreger eine große Bedrohung für das Überleben europäischer Flusskrebsarten dar. Flusskrebse sind die größten Wirbellosen in limnischen Systemen und haben einen entsprechend großen Einfluss auf die Struktur der Nahrungsnetze. Das Verschwinden von Flusskrebsen aus einem Gewässer kann Nahrungsnetze verändern und somit dramatische Konsequenzen für ein Ökosystem zur Folge haben. Ein Ziel im modernen Artenschutz ist die Erhaltung der genetischen Vielfalt. Eine hohe genetische Vielfalt ist für das langfristige Überleben einer Art von Vorteil.
Das Hauptziel meiner Arbeit war es, die genetische Struktur des gefährdeten Edelkrebses (Astacus astacus) in seinem europäischen Verbreitungsgebiet zu untersuchen und die besonders schützenswerten genetische 'Hotspots' zu identifizieren (Teil 1 der Dissertation). Die größte Bedrohung für die Diversität europäischer Flusskrebsarten stellt der Krebspesterreger Aphanomyces astaci dar. Daher muss die Verbreitung des Krankheitserregers bei Schutzprogrammen beachtet werden.
Im zweiten Teil der Dissertation untersuchte ich neue Aspekte der Verbreitung von A. astaci. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für zukünftige Artenschutzprogramme für Flusskrebse.
Im ersten Teil dieser Arbeit führte ich eine phylogeographische Analyse der Edelkrebse durch, um genetische 'Hotspots' zu identifizieren und die nacheiszeitliche Wiederbesiedlung Zentraleuropas durch diese Art zu rekonstruieren. Mit mitochondrialer DNA und nuklearen Mikrosatelliten-Markern ermittelte ich eine hohe genetische Vielfalt in Südosteuropa, die darauf hinweist, dass der Edelkrebs die kalten Klimaphasen des Pleistozäns in diesem Gebiet überdauerte (Appendix 1). Wegen der hohen genetischen Vielfalt ist Südosteuropa von besonderer Bedeutung für den Schutz des Edelkrebses. Die mitochondriale DNA-Analyse deutet auf eine gegabelte Kolonisierung vom unteren Donaueinzugsgebiet in a) das Einzugsgebiet der Nordsee und b) das Einzugsgebiet der Ostsee hin (Kapitel 2). Ein zweites, unabhängiges Refugium, welches im westlichen Balkan lokalisiert wurde, hat vermutlich nicht zur Besiedlung Mitteleuropas beigetragen. Außerdem stellte ich fest, dass die natürliche genetische Struktur teilweise überlagert ist, wahrscheinlich aufgrund des hohen menschlichen Einflusses auf die Verbreitung des Edelkrebses (bspw. künstliche Translokation). Im zweite Teil dieser Arbeit konnte ich mittels real-time-PCR ermitteln, dass neben den bekannten drei nordamerikanischen Flusskrebsarten auch Kalikokrebse (Orconectes immunis) Träger des Krebspesterregers sind (Kapitel 3). Des Weiteren habe ich den Krebspesterrreger in der unteren Donau in Rumänien an amerikanischen Kamberkrebsen (Orconectes limosus) und europäischen Galizierkrebsen (Astacus leptodactylus) nachweisen können (Kapitel 4). Die Ausbreitung der infizierten Kamberkrebse bis in die untere Donau stellt eine große Bedrohung für die Artenvielfalt in Südosteuropa dar und zeigt das hohe Invasionspotential der Kamberkrebse. Darüber hinaus stellte ich fest, dass auch einheimische Galizierkrebse im Donaudelta, etwa 970 km hinter der aktuellen Invasionsfront des Kamberkrebses, Träger von A. astaci sind (Kapitel 5). Diese Erkenntnis ist von besonderer Bedeutung, da die einheimischen Arten offenbar nicht an der Infektion leiden. Die Untersuchung koexistierender Populationen europäischer und amerikanischer Flusskrebse ergab, dass die Abwesenheit des Krebspesterregers in diesen Populationen die wahrscheinlichste Erklärung für die erfolgreiche Koexistenz in den untersuchten Gewässern in Mitteleuropa ist (Kapitel 6). Die Ergebnisse meiner Dissertation zeigen neue Aspekte, die von hoher Relevanz für den Schutz und Erhalt einheimischer Flusskrebsarten und deren genetischer Vielfalt sind: 1)Die genetische Diversität des Edelkrebses ist in Südosteuropa am höchsten. Dort überdauerten Edelkrebse die letzte Eiszeit in mindestens zwei unabhängigen Refugien. 2) Nicht alle amerikanischen Flusskrebspopulationen sind Träger der Krebspest und 3) nicht alle europäischen Flusskrebspopulationen sterben innerhalb kurzer Zeit an einer Infizierung mit dem Krebspesterreger. Um einheimische Flusskrebse und deren (genetische) Vielfalt langfristig zu erhalten, dürfen keine weiteren amerikanischen Flusskrebse in der Natur ausgesetzt werden. Das unbefugte Aussetzen wird jedoch erst zurückgehen, wenn der Handel mit exotischen Flusskrebsen verboten wird.
Objectives: Crayfish plague disease, caused by the oomycete pathogen Aphanomyces astaci represents one of the greatest risks for the biodiversity of the freshwater crayfish. This data article covers the de novo transcriptome assembly and annotation data of the noble crayfish and the marbled crayfish challenged with Ap. astaci. Following the controlled infection experiment (Francesconi et al. in Front Ecol Evol, 2021, https://doi.org/10.3389/fevo.2021.647037), we conducted a differential gene expression analysis described in (Boštjančić et al. in BMC Genom, 2022, https://doi.org/10.1186/s12864-022-08571-z) Data description: In total, 25 noble crayfish and 30 marbled crayfish were selected. Hepatopancreas tissue was isolated, followed by RNA sequencing using the Illumina NovaSeq 6000 platform. Raw data was checked for quality with FastQC, adapter and quality trimming were conducted using Trimmomatic followed by de novo assembly with Trinity. Assembly quality was assessed with BUSCO, at 93.30% and 93.98% completeness for the noble crayfish and the marbled crayfish, respectively. Transcripts were annotated using the Dammit! pipeline and assigned to KEGG pathways. Respective transcriptome and raw datasets may be reused as the reference transcriptome assemblies for future expression studies.