Kim Ferguson

Biologische bestrijding is het gebruik van een organisme, de biologische bestrijder (BB), om de populatie van een ander organisme, de plaag, te bestrijden. Biologische bestrijding wordt gebruikt in verschillende contexten, zoals in de akkerbouw voor gewassen zoals maïs, of in de kasteelt voor gewassen zoals tomaten en komkommers. BB’s worden niet alleen beoordeeld op hun efficiëntie en effectiviteit bij het bestrijden van schadelijke organismen, maar ook op hoe makkelijk het is om ze te kweken in commerciële instellingen, op hun opslagmogelijkheden, en op mogelijke ongewenste effecten zoals het aanvallen van inheemse insecten die geen ongedierte zijn.

Hoewel BB’s op zichzelf kunnen worden gebruikt in verschillende landbouwpraktijken, hebben ze vooral veel potentie als een belangrijk onderdeel van geïntegreerde gewasbescherming, ook wel Integrated Pest Management (IPM) genoemd. IPM is een ecosysteem-benadering van de landbouw, waarbij het hele systeem wordt meegenomen met als hoofddoel gezondere gewassen met minder pesticiden te krijgen. Op het eerste gezicht klinkt dit als een win-win situatie, aangezien het verminderen van het gebruik van pesticiden noodzakelijk is om de negatieve impact van de landbouw op het milieu te verminderen, en consumenten steeds meer op weg zijn naar producten met minder pesticiden of naar biologische producten. BB’s maken inderdaad vaak deel uit van de biologische productie van gewassen en andere biologische producten. Het totale gebruik van IPM en BB’s is echter laag, gedeeltelijk vanwege de reputatie dat BB’s onbetrouwbaar zijn in vergelijking met conventionele pesticiden.

BB’s kunnen worden verbeterd via een genetisch aanpak met next-generation sequencing en genomica. Genetica gaat in essentie over evolutie en het erven van eigenschappen, en de toepassing ervan op BB’s is vrij eenvoudig: zijn de eigenschappen waarin we geïnteresseerd zijn, zoals parasitisme voor sluipwespen of hongerbestendigheid voor roofwantsen, 1) erfelijk en 2) kunnen ze worden verbeterd zonder schadelijke effecten? Is er voldoende genetische variatie binnen een populatie om te kunnen selecteren voor verbetering van deze eigenschappen? Hoewel deze scenario’s kunnen worden gebruikt om de BB’s te verbeteren, kan de manier waarop BB’s worden gemonitord, opgeslagen en beoordeeld op niet-doeleffecten ook worden verbeterd met behulp van genetica en/of genomica.

Het door de EU gefinancierde netwerk Breeding Invertebrates for Next Generation BioControl (BINGO-ITN) omvatte verschillende projecten die samen gericht waren op het verbeteren van de productie en prestaties van BB’s met behulp van genetische variatie, waaronder het gebruik van genomische technieken. Bij het project waren 24 senior onderzoekers, 13 PhD-projecten en 12 partners uit de academische wereld en industriële en non-profitorganisaties uit de hele EU betrokken. Dit proefschrift bevat het werk van een van deze projecten. Verder is dit proefschrift gekaderd als een anthologie van werken over de mogelijkheden en het potentieel van genomica en genomische resources van BB’s.

Het doel van dit proefschrift was om genomische resultaten en middelen te genereren voor vijf biologische bestrijders, compleet met context en suggesties voor toekomstige onderzoeksrichtingen. Mijn aanpak was om me te concentreren op de directe toepassing van elke soort, door duidelijke aanwijzingen te geven voor het mogelijke gebruik van deze nieuw gegenereerde genomische hulpbronnen, terwijl ik probeerde zo open mogelijk te zijn met mijn wetenschap. Ik heb ook het concept van de levenscyclus van een genoomproject gebruikt als gids voor het voltooien of op zijn minst bevorderen van genoomprojecten.

In Hoofdstuk 2 voeren we een systematische review uit waarin we ons verdiepen in literatuur over de genetische variatie van BB’s. We hebben onze zoektermen geconcentreerd op publicaties waarin genetische variatie en/of erfelijkheid wordt genoemd, in combinatie met biologische controle en alle mogelijke permutaties daarvan. Hoewel onze zoekopdracht aanvankelijk bijna 3.000 hits opleverde, werd dit aantal snel minder toen we ons beperkten tot het doel van onze onderzoeksvraag, en soorten waarvan bekend is dat ze worden gebruikt bij biologische bestrijding. Uiteindelijk vonden we 69 geschikte publicaties, hoewel de meerderheid van deze artikelen geen meetbare resultaten van genetische variatie vermeldde, zoals erfelijkheid (h2 of H2) of evolueerbaarheid (CVA). Door deze review konden we licht werpen op de eigenschappen die momenteel worden bestudeerd in relatie tot eigenschappen die mogelijk belangrijk zijn voor het verbeteren van biologische bestrijding. Daarnaast hebben we gepleit voor het opnemen van kwantificeerbare metingen van genetische variatie in dit type onderzoek, en voor transparantere rapportagepraktijken.

De resterende onderzoekhoofdstukken, Hoofdstukken 3-7, zijn gerangschikt in volgorde van het eindproduct, omdat niet voor alle vijf soorten een genoom is gegenereerd. In Hoofdstuk 3 werkten we met Amblyseius swirskii, een roofmijt uit het oostelijke Middellandse Zeegebied, die over de hele wereld wordt gebruikt in veel verschillende kasgewassen. Deze roofmijt is oorspronkelijk gevonden in een kleine bronpopulatie, en zorgen over veerkracht en veldprestaties brachten ons ertoe de genetische variatie van de commerciële populatie te onderzoeken. Hiervoor hebben we een inteeltlijn opgezet van de commerciële populatie met behulp van een moeder-zoon-paringsschema voor tien generaties, terwijl we acht wilde populaties in Israël verzamelden om ze te kunnen vergelijken. Met het gebruik van whole-genome nanopore sequencing hebben we slechts 512 Mpb schone, gecorrigeerde reads van de inteeltlijn gekregen. Hoewel dit niet genoeg was voor genoomconstructie, zoals het oorspronkelijke doel was, was het meer dan genoeg om microsatellieten te kunnen vinden. Met behulp van zes microsatellieten werd DNA samengevoegd voor microsatellietanalyse, een kosteneffectief alternatief voor individuele genotypering dat effectief bleek voor deze studie. Onze resultaten laten zien dat de commerciële populatie minder genetische variatie had en meer gedifferentieerd was dan de wilde tegenhangers. Gebaseerd op deze resultaten hebben we aanbevolen om consistentere monitoring van commerciële lijnen op genetische variatie uit te voeren en om te overwegen om nieuw materiaal in de commerciële lijnen te introduceren. We raden aan om dit laatste eerst in een testpopulatie te doen om te zien of genetische variatie kan worden verhoogd zonder het succes van de biologische bestrijding te belemmeren.

In Hoofdstuk 4 presenteren we het linked-read genoom en de assembly strategie voor Bracon brevicornis, een ectoparasitoïde wesp die momenteel wereldwijd wordt onderzocht als biologische bestrijder. Voor het sequencen en de assembly hebben we gekozen voor een methode met linked-reads, waarbij een kleine hoeveelheid invoermateriaal bindt met barcodes om te helpen bij het samenvoegen met een lage dekking maar een hoge nauwkeurigheid. Naast B. brevicornis-materiaal gebruikten we een goed bestudeerd en gesequenced organisme (Solanum lycopersicum, tomaat) als “drager-DNA” in de voorbereidingsstap van de library. Het resulterende genoom was 123 Mbp groot. We hebben ervoor gekozen om een linked-reads assembly te gebruiken, omdat dit veel minder beginmateriaal vereist en “gefaseerde” genomen kan maken, waar gebieden met heterozygositeit kunnen worden gevisualiseerd in plaats van te worden verwijderd zoals bij andere methoden. De moeilijkheid om voldoende genetisch materiaal van deze wespen te krijgen, is gedeeltelijk te wijten aan het systeem van complementaire geslachtsbepaling (CGB) in B. brevicornis dat inteelt bemoeilijkt omdat het resulteert in steriele diploïde mannetjes. Uiteindelijk heeft onze oplossing voor het omgaan met een lage hoeveelheid input-DNA ons ook in staat gesteld een genomisch gebied te identificeren dat waarschijnlijk is gekoppeld aan het CGB-mechanisme in deze soort. Samen met dit diepgaande onderzoek naar CGB hebben we een eiwitvergelijking tussen B. brevicornis en twee andere braconide wespen uitgevoerd om de mogelijkheden voor vergelijkende genomica met dit genoom te highlighten, en ook als beoordeling van de nauwkeurigheid van onze assembly die alleen ab initio geannoteerd is.

Het maken van een genoom van de veel gebruikte sluipwesp Trichogramma brassicae (Hoofdstuk 5) werd bereikt door een hybride aanpak, waarbij gebruik werd gemaakt van sequencingtechnologie met short- en long-reads. De homozygositeit van onze ingeteelde lijn, S301, werd waarschijnlijk veroorzaakt door een Wolbachia-infectie. Deze bacteriële endosymbiont bestaat in verschillende insecten en kan in sommige gevallen leiden tot populaties die volledig vrouwelijk zijn, waar onbevruchte eieren vrouwelijke wespen worden in plaats van de gebruikelijke mannelijke wespen. Drie verschillende assemblers werden gebruikt, en vijf potentiële assemblies werden teruggebracht tot één die vervolgens ab initio, homologie, en op bewijs gebaseerde annotatie ontving. De uiteindelijke assembly is 235 Mbp groot, verdeeld over 1.572 contigs en bevat 16.905 genen.

Whole-genome sequencing van Hoofdstuk 5 werd gebruikt om microsatellieten te genereren in Hoofdstuk 6 voor de zustersoort Trichogramma evanescens. De vraag was gerelateerd aan voortdurende inspanningen om zowel BB’s als hun wilde tegenhangers te monitoren. De verspreidingswijzen van Trichogramma spp., dacht men tot nu toe, zijn ofwel directe dispersie of dispersie door de wind, en daardoor zou het verspreidingsbereik vrij klein zijn. Recente waarnemingen van phoresy (een vorm van “liftend” gedrag in de natuur) zouden het verspreidingsbereik echter zo groot maken als het bereik van alle vlinders waar wespen op mee kunnen liften. Met acht Duitse lijnen uit het wild en twee Nederlandse lijnen gebruikten we een combinatie van populatiegenetica en -genomica om deze vraag te onderzoeken. Microsatellieten, een ongeannoteerd genoom van T. evanescens en gepoolde sequencing werden gebruikt, en onze analyses laten zien dat de populaties een lichte isolatie over afstand hebben, en sterke differentiatie tussen lijnen in binnen verzamelplaatsen, maar dat er geen duidelijke trend is over de geografische breedtegraad. Hoewel meer onderzoek nodig is, suggereren onze resultaten in combinatie met verschillende veldobservaties van phoresy dat het verspreidingsbereik van Trichogramma mogelijk groter is dan eerder gedacht.

Het laatste genoom in dit proefschrift (Hoofdstuk 7) is van Nesidiocoris tenuis, een roofwants die wordt gebruikt in kassen in het Middellandse Zeegebied, en is het tweede linked-read genoom in dit proefschrift. Eén vrouwelijke N. tenuis vormde de basis voor het genoom, samen met mogelijke bacteriële verontreinigingen. Deze aanhangsels werden verwijderd via twee decontaminatie pipelines, waarvan er één ook vermoedelijke gebieden van laterale genoverdracht identificeerde. De totale genoomassembly is 355 Mbp groot. Na decontaminatie hebben we een ab initio, homologie, en evidence-based assembly uitgevoerd die 24.688 genen opleverde, wat naar een vergelijkende analyse met andere Hemiptera genomen leidde. Karyotyping en geslachtschromosoomanalyse geven aan dat N. tenuis een 32 chromosomen heeft met een XX/XY geslachtsbepalingssysteem. Aanvullende cytogenetische analyse omvatte de geslachtschromosoomsamenstelling en visualiseerde twee probes, de 18s rDNA-cluster en een unieke satelliet uit de reads van de sequentie. Ten slotte werden de chromosomen gecontroleerd op telomerische herhalingen van voorouderlijke insecten, waarvan wordt gedacht dat ze verloren zijn in Hemipterans zoals N. tenuis, en we waren inderdaad niet in staat om deze of soortgelijke repetitieve probes te visualiseren. De verscheidenheid aan analyses die voor dit genoom werd uitgevoerd, was om toekomstig genomisch en genetisch werk met N. tenuis te inspireren, en om te laten zien wat de mogelijkheden zijn van een geannoteerd genoom.

In de synthese in Hoofdstuk 8 breng ik het concept van de levenscyclus van het genoomproject terug, waarbij ik bespreek hoe elk genoomproject in dit proefschrift de cyclus heeft doorlopen, of juist niet, en ik doe ook suggesties voor toevoegingen aan de cyclus. Ik zal kort ingaan op de openheid van resources die binnen en door dit proefschrift worden gegenereerd, waarna ik het Nagoya protocol bespreek. Ik bespreek hoe de internationale overeenkomst momenteel wordt waargenomen door beoefenaars van biologische bestrijding, en hoe biologische bestrijding en Nederlandse universiteiten er baat bij zouden hebben om dekolonisatie in hun benadering van de wetenschap op te nemen. Ter afsluiting reflecteer ik kort op het BINGO-ITN en sluit ik de anthologie af.