Spodoptera frugiperda transcriptional response to infestation by Steinernema carpocapsae

Steinernema carpocapsae is an entomopathogenic nematode (EPN) used in biological control of agricultural pest insects. It enters the hemocoel of its host via the intestinal tract and releases its symbiotic bacterium Xenorhabdus nematophila. In order to improve our knowledge about the physiological responses of its different hosts, we examined the transcriptional responses to EPN infestation of the fat body, the hemocytes and the midgut in the lepidopteran pest Spodoptera frugiperda. The tissues poorly respond to the infestation at an early time post-infestation of 8 h with only 5 genes differentially expressed in the fat body of the caterpillars. Strong transcriptional responses are observed at a later time point of 15 h post-infestation in all three tissues. Few genes are differentially expressed in the midgut but tissue-specific panels of induced metalloprotease inhibitors, immune receptors and antimicrobial peptides together with several uncharacterized genes are up-regulated in the fat body and the hemocytes. Among the most up-regulated genes, we identified new potential immune effectors, unique to Lepidoptera, which show homology with bacterial genes of unknown function. Altogether, these results pave the way for further functional studies of the responsive genes' involvement in the interaction with the EPN

Spodoptera frugiperda immune response to the nematobacterial complex Steinernema carpocapsae-Xenorhabdus nematophila

[i]Spodoptera frugiperda[/i] immune response to the nematobacterial complex [i]Steinernema carpocapsae-Xenorhabdus nematophila[/i]. Conférences Jacques Monod "Immunologie Intégrative des Insectes : Contrôle des Infections

Sub-cubic Change of Ordering for Gröner Basis: A Probabilistic Approach

International audienceThe usual algorithm to solve polynomial systems using Gröbner bases consists of two steps: first computing the DRL Gröbner basis using the F5 algorithm then computing the LEX Gröbner basis using a change of ordering algorithm. When the Bézout bound is reached, the bottleneck of the total solving process is the change of ordering step. For 20 years, thanks to the FGLM algorithm the complexity of change of ordering is known to be cubic in the number of solutions of the system to solve. We show that, in the generic case or up to a generic linear change of variables, the multiplicative structure of the quotient ring can be computed with no arithmetic operation. Moreover, given this multiplicative structure we propose a change of ordering algorithm for Shape Position ideals whose complexity is polynomial in the number of solutions with exponent ω where 2 ≤ ω < 2.3727 is the exponent in the complexity of multiplying two dense matrices. As a consequence, we propose a new Las Vegas algorithm for solving polynomial systems with a finite number of solutions by using Gröbner basis for which the change of ordering step has a sub-cubic (i.e. with exponent ω) complexity and whose total complexity is dominated by the complexity of the F5 algorithm. In practice we obtain significant speedups for various polynomial systems by a factor up to 1500 for specific cases and we are now able to tackle some instances that were intractable

Analyse moléculaire de la réponse immunitaire du lépidoptère Spodoptera frugiperda au complexe nématobactérien entomopathogène Steinernema carpocapsae-Xenorhabdus nematophila

Entomopathogenic nematobacterial complexes (NBCs) are natural symbiotic associations between nematodes and bacteria that are pathogenic for insects. In these associations, the bacterial partner uses the nematode as a vector, which transports it in the soil and releases it inside the insect’s body. The bacterium then increases the NBC’s virulence and is used as a food supply by the nematode partner in the insect’s dead body. Due to the originality of these dual pathogens and to their potential for biological control of insect crop pests, studies have been conducted on diverse aspects of their interactions with insects. These works have shown the ability of an NBC to infect and kill an insect depends on a combination of ecological and behavioral factors, as well as on the dialogue between the two partners of the NBC and the insect’s immune system. Insects possess an elaborate immune system which is able the respond by adapted ways to a huge diversity of infectious agents. This system relies on three main components: epithelial barriers, local cellular and humoral responses and systemic humoral responses. A large number of strategies and factors used by NBCs to counteract these three components have already been identified in several NBC-insect interaction models. However, the study of the dialogue between each NBC partner and the hosts’ immune systems is currently suffering from a lack of knowledge of the signaling and molecular aspects of the insects’ immune responses to these dual infections.The first goal of this thesis was to increase this knowledge through a detailed and structured transcriptional analysis of the immune responses of a lepidopteran model, Spodoptera frugiperda, to one of the most studied NBCs, the S. carpocapsae-X. nematophila association. In the current scientific context, this work was mainly characterized by two methodologic novelties: the use of a topologic approach for the transcriptomic analysis of the induced immune responses to the infection by the NBC, and the use of an infection by injection method for the discrimination between the nematode- and the bacterium-induced immune responses. This work allowed the observation of a structured and highly resolutive picture of the induced immune responses, which will be used as a working base for (i) the functional characterization of the interactions of identified immune genes with each partner of the NBC, and (ii) for the detailed analysis of the molecular dialogue between the immune system of S. frugiperda and the NBC. Finally, this work also allowed the identification of two potential new clusters of immune genes, the GBHs and the UNKs, which are among the most overexpressed genes during the tripartite interaction. Our preliminary bioinformatics analyses and activity tests suggest the GBHs could have been acquired by horizontal gene transfer from bacteria and the UNKs could result from a coevolution between noctuids and some Steinernema-Xenorhabdus NBCs. This hypothesis opens new research trails for the understanding of the NBC-sensitivity variations within insect diversity.Les complexes nématobactériens (CNBs) entomopathogènes sont des associations naturelles symbiotiques et mutualistes entre des nématodes et des bactéries parasites d’insectes. Dans le cadre de ces associations, le nématode sert tout d’abord de vecteur à la bactérie, qu’il transporte dans le sol et libère à l’intérieur du corps des insectes. La bactérie augmente quant à elle la virulence du CNB, puis sert de ressource nutritive au nématode dans le cadavre de l’insecte. En raison de l’originalité de ces pathogènes et de leur potentiel en lutte biologique contre les insectes ravageurs de cultures, les modalités de leurs interactions avec les insectes ont fait l’objet de nombreuses études. Ces travaux ont permis d’établir que la capacité d’un CNB à infecter et à tuer un hôte dépend d’une combinaison de facteurs écologiques et comportementaux, ainsi que du dialogue s’établissant entre chaque membre du CNB et le système immunitaire de l’insecte. Les insectes possèdent un système immunitaire élaboré et capable de répondre de façon adaptée à une grande diversité d’agents infectieux. Ce système est basé sur trois composantes principales : des barrières épithéliales, des réponses cellulaires et humorales locales et des réponses humorales systémiques. Bien qu’un grand nombre de stratégies et de facteurs permettant aux nématodes et aux bactéries de contrer ces trois composantes ait été identifié au sein de différents modèles d’interaction CNB-insecte, l’étude du dialogue s’établissant entre chaque partenaire et le système immunitaire des hôtes souffre d’un déficit de connaissance des aspects signalétiques et moléculaires des réponses immunitaires que les insectes opposent à ces infections duales.L’objectif premier de cette thèse était de contribuer au développement de ces connaissances au travers d’une analyse transcriptionnelle détaillée et structurée des réponses immunitaires d’un modèle d’insecte lépidoptère, Spodoptera frugiperda, à l’un des CNBs les plus étudiés, l’association S. carpocapsae-X. nematophila. Dans le contexte scientifique actuel, ce travail était tout d’abord caractérisé par deux nouveautés méthodologiques : l’utilisation d’une approche transcriptomique sur tissus immuno-compétents pour identifier les gènes de l’immunité affectés par l’infection par le CNB, et l’utilisation d’une méthode d’infection par injection de la bactérie et du nématode pour discriminer les réponses immunitaires induites par chaque partenaire. Ce travail a permis d’obtenir une image très résolutive et structurée des réponses immunitaires de l’insecte qui servira de base de travail pour (i) la caractérisation fonctionnelle des interactions des gènes de l’immunité identifiés avec chaque partenaire du CNB et (ii) l’étude détaillée du dialogue moléculaire entre le système immunitaire de S. frugiperda et le CNB. Ce travail a également été marqué par la découverte de deux potentiels nouveaux clusters de gènes immunitaires, les GBHs et les UNKs, qui sont parmi les gènes les plus fortement induits lors de l’interaction tripartite. Nos analyses bioinformatiques et tests d’activité préliminaires suggèrent que les GBHs pourraient avoir été acquis par tranfert horizontal de gènes bactériens et que les UNKs pourraient résulter d’une co-évolution d’insectes de la famille des noctuelles avec des CNBs Steinernema-Xenorhabdus. Cette hypothèse ouvre de nouvelles pistes de recherches pour la compréhension des variations de sensibilité aux CNBs entomopathogènes au sein de la diversité des insectes

Molecular analysis of the Spodoptera frugiperda lepidoptera immune response to the entomopathogenic nematobacterial complex Steinernema carpocapsae-Xenorhabdus nematophila

Les complexes nématobactériens (CNBs) entomopathogènes sont des associations naturelles symbiotiques et mutualistes entre des nématodes et des bactéries parasites d’insectes. Dans le cadre de ces associations, le nématode sert tout d’abord de vecteur à la bactérie, qu’il transporte dans le sol et libère à l’intérieur du corps des insectes. La bactérie augmente quant à elle la virulence du CNB, puis sert de ressource nutritive au nématode dans le cadavre de l’insecte. En raison de l’originalité de ces pathogènes et de leur potentiel en lutte biologique contre les insectes ravageurs de cultures, les modalités de leurs interactions avec les insectes ont fait l’objet de nombreuses études. Ces travaux ont permis d’établir que la capacité d’un CNB à infecter et à tuer un hôte dépend d’une combinaison de facteurs écologiques et comportementaux, ainsi que du dialogue s’établissant entre chaque membre du CNB et le système immunitaire de l’insecte. Les insectes possèdent un système immunitaire élaboré et capable de répondre de façon adaptée à une grande diversité d’agents infectieux. Ce système est basé sur trois composantes principales : des barrières épithéliales, des réponses cellulaires et humorales locales et des réponses humorales systémiques. Bien qu’un grand nombre de stratégies et de facteurs permettant aux nématodes et aux bactéries de contrer ces trois composantes ait été identifié au sein de différents modèles d’interaction CNB-insecte, l’étude du dialogue s’établissant entre chaque partenaire et le système immunitaire des hôtes souffre d’un déficit de connaissance des aspects signalétiques et moléculaires des réponses immunitaires que les insectes opposent à ces infections duales.L’objectif premier de cette thèse était de contribuer au développement de ces connaissances au travers d’une analyse transcriptionnelle détaillée et structurée des réponses immunitaires d’un modèle d’insecte lépidoptère, Spodoptera frugiperda, à l’un des CNBs les plus étudiés, l’association S. carpocapsae-X. nematophila. Dans le contexte scientifique actuel, ce travail était tout d’abord caractérisé par deux nouveautés méthodologiques : l’utilisation d’une approche transcriptomique sur tissus immuno-compétents pour identifier les gènes de l’immunité affectés par l’infection par le CNB, et l’utilisation d’une méthode d’infection par injection de la bactérie et du nématode pour discriminer les réponses immunitaires induites par chaque partenaire. Ce travail a permis d’obtenir une image très résolutive et structurée des réponses immunitaires de l’insecte qui servira de base de travail pour (i) la caractérisation fonctionnelle des interactions des gènes de l’immunité identifiés avec chaque partenaire du CNB et (ii) l’étude détaillée du dialogue moléculaire entre le système immunitaire de S. frugiperda et le CNB. Ce travail a également été marqué par la découverte de deux potentiels nouveaux clusters de gènes immunitaires, les GBHs et les UNKs, qui sont parmi les gènes les plus fortement induits lors de l’interaction tripartite. Nos analyses bioinformatiques et tests d’activité préliminaires suggèrent que les GBHs pourraient avoir été acquis par tranfert horizontal de gènes bactériens et que les UNKs pourraient résulter d’une co-évolution d’insectes de la famille des noctuelles avec des CNBs Steinernema-Xenorhabdus. Cette hypothèse ouvre de nouvelles pistes de recherches pour la compréhension des variations de sensibilité aux CNBs entomopathogènes au sein de la diversité des insectes.Entomopathogenic nematobacterial complexes (NBCs) are natural symbiotic associations between nematodes and bacteria that are pathogenic for insects. In these associations, the bacterial partner uses the nematode as a vector, which transports it in the soil and releases it inside the insect’s body. The bacterium then increases the NBC’s virulence and is used as a food supply by the nematode partner in the insect’s dead body. Due to the originality of these dual pathogens and to their potential for biological control of insect crop pests, studies have been conducted on diverse aspects of their interactions with insects. These works have shown the ability of an NBC to infect and kill an insect depends on a combination of ecological and behavioral factors, as well as on the dialogue between the two partners of the NBC and the insect’s immune system. Insects possess an elaborate immune system which is able the respond by adapted ways to a huge diversity of infectious agents. This system relies on three main components: epithelial barriers, local cellular and humoral responses and systemic humoral responses. A large number of strategies and factors used by NBCs to counteract these three components have already been identified in several NBC-insect interaction models. However, the study of the dialogue between each NBC partner and the hosts’ immune systems is currently suffering from a lack of knowledge of the signaling and molecular aspects of the insects’ immune responses to these dual infections.The first goal of this thesis was to increase this knowledge through a detailed and structured transcriptional analysis of the immune responses of a lepidopteran model, Spodoptera frugiperda, to one of the most studied NBCs, the S. carpocapsae-X. nematophila association. In the current scientific context, this work was mainly characterized by two methodologic novelties: the use of a topologic approach for the transcriptomic analysis of the induced immune responses to the infection by the NBC, and the use of an infection by injection method for the discrimination between the nematode- and the bacterium-induced immune responses. This work allowed the observation of a structured and highly resolutive picture of the induced immune responses, which will be used as a working base for (i) the functional characterization of the interactions of identified immune genes with each partner of the NBC, and (ii) for the detailed analysis of the molecular dialogue between the immune system of S. frugiperda and the NBC. Finally, this work also allowed the identification of two potential new clusters of immune genes, the GBHs and the UNKs, which are among the most overexpressed genes during the tripartite interaction. Our preliminary bioinformatics analyses and activity tests suggest the GBHs could have been acquired by horizontal gene transfer from bacteria and the UNKs could result from a coevolution between noctuids and some Steinernema-Xenorhabdus NBCs. This hypothesis opens new research trails for the understanding of the NBC-sensitivity variations within insect diversity

Résolution de systèmes polynomiaux et cryptologie sur les courbes elliptiques

Since the last decade, attacks on the elliptic curve discrete logarithm problem (ECDLP) which requires to solve polynomial systems have been quite successful. This thesis takes place in this context and the contributions are twofold. On the one hand, we present new tools for solving polynomial systems by using Gröbner bases. First, we investigate polynomial systems with symmetries. We show that solving such a system is closely related to solving quasi-homogeneous systems. We thus propose new complexity bounds for solving systems with symmetries. Then, we study the bottleneck of polynomial systems solving: the change of ordering for Gröbner bases. The usual complexity of such algorithms is cubic in the number of solutions and dominates the overall complexity of polynomial systems solving. We propose for the first time change of ordering algorithms with sub-cubic complexity in the number of solutions. On the other hand, we investigate the index calculus attack of Gaudry to solve the elliptic curve discrete logarithm problem. We highlight some families of elliptic curves that admit particular symmetries. These symmetries imply an exponential gain in the complexity of solving the ECDLP. As a consequence, we obtain new security parameters for some instances of the ECDLP. One of the main steps of this attack requires to compute Semaev summation polynomials. The symmetries of binary elliptic curves allow us to propose a new algorithm based on evaluation-interpolation to compute their summation polynomials. Equipped with this algorithm we establish a new record for the computation of these polynomials.Depuis ces dix dernières années, les attaques sur le logarithme discret sur les courbes elliptiques (ECDLP) mettant en jeu la résolution de systèmes polynomiaux connaissent un large succès. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse dont les contributions sont doubles. D'une part, nous présentons de nouveaux outils de résolution de systèmes polynomiaux par bases de Gröbner. Nous montrons que la résolution de systèmes avec symétries est étroitement liée à la résolution de systèmes quasi-homogènes. Nous proposons ainsi de nouveaux résultats de complexité pour la résolution de tels systèmes. Nous nous intéressons également à l'étape bloquante de la résolution de systèmes : le changement d'ordre pour bases de Gröbner. La complexité classique de cette étape est cubique en le nombre de solutions et domine la complexité totale de la résolution. Nous proposons pour la première fois des algorithmes de changement d'ordre de complexité sous-cubique en le nombre de solutions. D'autre part, nous nous intéressons à l'attaque du logarithme discret sur les courbes elliptiques par calcul d'indice proposée par Gaudry. Nous mettons en évidence des familles de courbes elliptiques possédant des symétries particulières. Ces symétries impliquent un gain exponentiel sur la complexité de la résolution du ECDLP. Nous obtenons ainsi de nouveaux paramètres de sécurité pour certaines instances du ECDLP. Une des étapes principales de cette attaque nécessite le calcul de polynômes de sommation introduits par Semaev. Les symétries des courbes elliptiques binaires nous permettent d'élaborer un nouvel algorithme par évaluation-interpolation pour le calcul des polynômes de sommation. Munis de cet algorithme nous établissons un nouveau record pour le calcul de ces polynômes

Using Symmetries and Fast Change of Ordering in the Index Calculus for Elliptic Curves Discrete Logarithm

International audienceIn 2004, an algorithm is introduced to solve the DLP for elliptic curves defined over a non prime finite field Fqn . One of the main steps of this algorithm requires decomposing points of the curve E(Fqn ) with respect to a factor base, this problem is denoted PDP. In this paper, we will apply this algorithm to the case of Edwards curves, the well known family of elliptic curves that allow faster arithmetic as shown by Bernstein and Lange. More precisely, we show how to take advantage of some symmetries of twisted Edwards and twisted Jacobi intersections curves to gain an exponential factor 23(n1) to solve the corresponding PDP. Practical experiments supporting the theoretical result are also given. For instance, the complexity of solving the ECDLP for twisted Edwards curves defined over Fq5 , with q 264, is supposed to be 2160 operations in E(Fq5 ) using generic algorithms compared to 2127 operations (multiplication of two 32 bits words) with our method. For these parameters the PDP is untractable with the original algorithm. The main tool to achieve these results relies on the use of the symmetries during the polynomial system solving step. Also, we use a recent work on a new strategy for the change of ordering of Gr¨obner basis which provides a better heuristic complexity of the total solving process

Using Symmetries and Fast Change of Ordering in the Index Calculus for Elliptic Curves Discrete Logarithm

International audienceIn 2004, an algorithm is introduced to solve the DLP for elliptic curves defined over a non prime finite field Fqn . One of the main steps of this algorithm requires decomposing points of the curve E(Fqn ) with respect to a factor base, this problem is denoted PDP. In this paper, we will apply this algorithm to the case of Edwards curves, the well known family of elliptic curves that allow faster arithmetic as shown by Bernstein and Lange. More precisely, we show how to take advantage of some symmetries of twisted Edwards and twisted Jacobi intersections curves to gain an exponential factor 23(n1) to solve the corresponding PDP. Practical experiments supporting the theoretical result are also given. For instance, the complexity of solving the ECDLP for twisted Edwards curves defined over Fq5 , with q 264, is supposed to be 2160 operations in E(Fq5 ) using generic algorithms compared to 2127 operations (multiplication of two 32 bits words) with our method. For these parameters the PDP is untractable with the original algorithm. The main tool to achieve these results relies on the use of the symmetries during the polynomial system solving step. Also, we use a recent work on a new strategy for the change of ordering of Gr¨obner basis which provides a better heuristic complexity of the total solving process

Using Symmetries and Fast Change of Ordering in the Index Calculus for Elliptic Curves Discrete Logarithm

International audienceIn 2004, an algorithm is introduced to solve the DLP for elliptic curves defined over a non prime finite field Fqn . One of the main steps of this algorithm requires decomposing points of the curve E(Fqn ) with respect to a factor base, this problem is denoted PDP. In this paper, we will apply this algorithm to the case of Edwards curves, the well known family of elliptic curves that allow faster arithmetic as shown by Bernstein and Lange. More precisely, we show how to take advantage of some symmetries of twisted Edwards and twisted Jacobi intersections curves to gain an exponential factor 23(n1) to solve the corresponding PDP. Practical experiments supporting the theoretical result are also given. For instance, the complexity of solving the ECDLP for twisted Edwards curves defined over Fq5 , with q 264, is supposed to be 2160 operations in E(Fq5 ) using generic algorithms compared to 2127 operations (multiplication of two 32 bits words) with our method. For these parameters the PDP is untractable with the original algorithm. The main tool to achieve these results relies on the use of the symmetries during the polynomial system solving step. Also, we use a recent work on a new strategy for the change of ordering of Gr¨obner basis which provides a better heuristic complexity of the total solving process