Toward a better understanding of the molecular basis of Bti (bacillus thuringiensis var. israelensis) resistance in mosquitoes

Le Bti est un bioinsecticide mondialement utilisé dans la lutte contre les moustiques. La toxicité du Bti est due à un cristal, constitué de quatre toxines principales, produit par la bactérie Bacillus thuringiensis subsp. israelensis. Le Bti représente une bonne alternative aux insecticides chimiques car il est peu persistant dans l’environnement et spécifique des insectes ciblés. La sélection d’une souche de moustique (Aedes aegypti) de laboratoire au Bti a entrainé une résistance modérée au Bti (3.5 fois) mais plus élevée aux toxines testées séparément (jusqu’à 60 fois). Ce résultat suggère que l’adaptation des moustiques au Bti en populations naturelles peut être corrélée à une résistance accrue à chacune des toxines. Pour pouvoir détecter une adaptation au Bti, il est donc nécessaire de mieux caractériser la résistance à chaque toxine qui compose le Bti.Cette thèse se structure en trois axes. 1. L’analyse du transcriptome par RNA-seq des souches résistantes à chaque toxine et au Bti a permis de mettre en évidence plusieurs gènes candidats potentiellement impliqués dans la résistance. La résistance développée au laboratoire est complexe, combinant des mécanismes de résistances spécifiques de chaque toxine et généralistes. 2. L’analyse du transcriptome d’une souche sensible exposée au Bti a permis d’identifier des gènes impliqués dans la réponse à l’intoxication, notamment les phosphatases alcalines. De plus, l’exposition à chaque toxine et au Bti induit une modification de l’expression de ces gènes bien plus importante chez les souches résistantes que chez la souche sensible. 3. L’implication de la réponse immunitaire dans la résistance et dans la réponse à une exposition au Bti est discutée. L’exposition au Bti accroit la compétence vectorielle d’A. aegypti pour deux maladies tropicales (Dengue et Chikungunya), différemment selon si la souche est sensible ou résistante au Bti. Cette thèse permet de mieux comprendre les mécanismes de résistances au Bti et à ses toxines ; ces connaissances sont nécessaires pour mieux anticiper la résistance sur le terrain.Bti is a bioinsecticide used worldwide for mosquito control. Bti toxicity is due to a crystal, composed of four main toxins, produced by the bacteria Bacillus thuringiensis subsp. israelensis. Bti represents a good alternative to chemical insecticides because it is known to have a low persistence in the environment and to be specific to the targeted insects. The selection of a laboratory mosquito (Aedes aegypti) strain with a persistent form of Bti led to moderate resistance to Bti (3.5-fold) but to higher resistance (up to 60-fold) to Bti toxins tested separately. This result suggests that the adaptation of mosquitoes to Bti in the field may be correlated to a higher resistance to each toxin. In order to detect an adaptation to Bti, it is thus necessary to characterize better the resistance against each Bti toxin.This thesis is organized in three parts. 1. The transcritpome analysis of strains resistant to each toxin and to Bti using RNA-seq technique enabled to highlight genes and mechanisms potentially involved in the resistance. The resistance developed in the laboratory is complex, combining generalist and specific mechanisms to resist to each toxin. 2. The transcriptome analysis of a susceptible strain exposed to Bti enabled identifying genes involved in the response to the intoxication, especially alkaline phosphatases. Furthermore, exposure to Bti and to each toxin resulted in gene expression modification being far higher in resistant strains than in susceptible strain. 3. The role of immunity in the resistance and in the response to Bti exposure is discussed. The Bti exposure increases the vector competence of A. aegypti for two tropical diseases (Dengue and Chikungunya) differently, depending on the strain being susceptible or resistant to Bti. This thesis enables better understanding of resistance mechanisms to Bti and its toxins; this knowledge is necessary for anticipating field resistance development

Vers une meilleure compréhension des bases moléculaires de la résistance des moustiques au Bti (Bacillus thuringiensis subsp. israelensis)

Bti is a bioinsecticide used worldwide for mosquito control. Bti toxicity is due to a crystal, composed of four main toxins, produced by the bacteria Bacillus thuringiensis subsp. israelensis. Bti represents a good alternative to chemical insecticides because it is known to have a low persistence in the environment and to be specific to the targeted insects. The selection of a laboratory mosquito (Aedes aegypti) strain with a persistent form of Bti led to moderate resistance to Bti (3.5-fold) but to higher resistance (up to 60-fold) to Bti toxins tested separately. This result suggests that the adaptation of mosquitoes to Bti in the field may be correlated to a higher resistance to each toxin. In order to detect an adaptation to Bti, it is thus necessary to characterize better the resistance against each Bti toxin.This thesis is organized in three parts. 1. The transcritpome analysis of strains resistant to each toxin and to Bti using RNA-seq technique enabled to highlight genes and mechanisms potentially involved in the resistance. The resistance developed in the laboratory is complex, combining generalist and specific mechanisms to resist to each toxin. 2. The transcriptome analysis of a susceptible strain exposed to Bti enabled identifying genes involved in the response to the intoxication, especially alkaline phosphatases. Furthermore, exposure to Bti and to each toxin resulted in gene expression modification being far higher in resistant strains than in susceptible strain. 3. The role of immunity in the resistance and in the response to Bti exposure is discussed. The Bti exposure increases the vector competence of A. aegypti for two tropical diseases (Dengue and Chikungunya) differently, depending on the strain being susceptible or resistant to Bti. This thesis enables better understanding of resistance mechanisms to Bti and its toxins; this knowledge is necessary for anticipating field resistance development.Le Bti est un bioinsecticide mondialement utilisé dans la lutte contre les moustiques. La toxicité du Bti est due à un cristal, constitué de quatre toxines principales, produit par la bactérie Bacillus thuringiensis subsp. israelensis. Le Bti représente une bonne alternative aux insecticides chimiques car il est peu persistant dans l’environnement et spécifique des insectes ciblés. La sélection d’une souche de moustique (Aedes aegypti) de laboratoire au Bti a entrainé une résistance modérée au Bti (3.5 fois) mais plus élevée aux toxines testées séparément (jusqu’à 60 fois). Ce résultat suggère que l’adaptation des moustiques au Bti en populations naturelles peut être corrélée à une résistance accrue à chacune des toxines. Pour pouvoir détecter une adaptation au Bti, il est donc nécessaire de mieux caractériser la résistance à chaque toxine qui compose le Bti.Cette thèse se structure en trois axes. 1. L’analyse du transcriptome par RNA-seq des souches résistantes à chaque toxine et au Bti a permis de mettre en évidence plusieurs gènes candidats potentiellement impliqués dans la résistance. La résistance développée au laboratoire est complexe, combinant des mécanismes de résistances spécifiques de chaque toxine et généralistes. 2. L’analyse du transcriptome d’une souche sensible exposée au Bti a permis d’identifier des gènes impliqués dans la réponse à l’intoxication, notamment les phosphatases alcalines. De plus, l’exposition à chaque toxine et au Bti induit une modification de l’expression de ces gènes bien plus importante chez les souches résistantes que chez la souche sensible. 3. L’implication de la réponse immunitaire dans la résistance et dans la réponse à une exposition au Bti est discutée. L’exposition au Bti accroit la compétence vectorielle d’A. aegypti pour deux maladies tropicales (Dengue et Chikungunya), différemment selon si la souche est sensible ou résistante au Bti. Cette thèse permet de mieux comprendre les mécanismes de résistances au Bti et à ses toxines ; ces connaissances sont nécessaires pour mieux anticiper la résistance sur le terrain

Alkaline phosphatases are involved in the response of Aedes aegypti larvae to intoxication with Bacillus thuringiensis subsp. israelensis Cry toxins

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Pre-selecting resistance against individual Bti Cry toxins facilitates the development of resistance to the Bti toxins cocktail

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Receptors are affected by selection with each Bacillus thuringiensis israelensis Cry toxin but not with the full Bti mixture in Aedes aegypti

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Monitoring resistance to Bacillus thuringiensis subsp. israelensis in the field by performing bioassays with each Cry toxin separately

Bacillus thuringiensis subsp. israelensis (Bti) is increasingly used worldwide for mosquito control and is the only larvicide used in the French Rhône-Alpes region since decades. The artificial selection of mosquitoes with field-persistent Bti collected in breeding sites from this region led to a moderate level of resistance to Bti, but to relatively high levels of resistance to individual Bti Cry toxins. Based on this observation, we developed a bioassay procedure using each Bti Cry toxin separately to detect cryptic Bti-resistance evolving in field mosquito populations. Although no resistance to Bti was detected in none of the three mosquito species tested (Aedes rusticus, Aedes sticticus and Aedes vexans), an increased tolerance to Cry4Aa (3.5-fold) and Cry11Aa toxins (8-fold) was found in one Ae. sticticus population compared to other populations of the same species, suggesting that resistance to Bti may be arising in this population. This study confirms previous works showing a lack of Bti resistance in field mosquito populations treated for decades with this bioinsecticide. It also provides a first panorama of their susceptibility status to individual Bti Cry toxins. In combination with bioassays with Bti, bioassays with separate Cry toxins allow a more sensitive monitoring of Bti-resistance in the field

Larval Exposure to the Bacterial Insecticide Bti Enhances Dengue Virus Susceptibility of Adult Aedes aegypti Mosquitoes

International audienceUnderstanding the interactions between pathogens sharing the same host can be complicated for holometabolous animals when larval and adult stages are exposed to distinct pathogens. In medically important insect vectors, the effect of pathogen exposure at the larval stage may influence susceptibility to human pathogens at the adult stage. We addressed this hypothesis in the mosquito Aedes aegypti, a major vector of arthropod-borne viruses (arboviruses), such as the dengue virus (DENV) and the chikungunya virus (CHIKV). We experimentally assessed the consequences of sub-lethal exposure to the bacterial pathogen Bacillus thuringiensis subsp. israelensis (Bti), during larval development, on arbovirus susceptibility at the adult stage in three Ae. aegypti strains that differ in their genetic resistance to Bti. We found that larval exposure to Bti significantly increased DENV susceptibility, but not CHIKV susceptibility, in the Bti-resistant strains. However, there was no major difference in the baseline arbovirus susceptibility between the Bti-resistant strains and their Bti-susceptible parental strain. Although the generality of our results remains to be tested with additional arbovirus strains, this study supports the idea that the outcome of an infection by a pathogen depends on other pathogens sharing the same host even when they do not affect the same life stage of the host. Our findings may also have implications for Bti as a mosquito biocontrol agent, indicating that the sub-optimal Bti efficacy may have counter-productive effects by increasing vector competence, at least for some combinations of arbovirus and mosquito strains