This thesis presents a detailed analysis of neuropeptide evolution, gene regulation, and function in Blattella germanica and other species of Blattodea. Combining genomic, transcriptomic, and peptidomic methods, I examined neuropeptide diversity and evolutionary origins with a focus on adipokinetic hormones (AKHs) and their receptors, as well as exploring their regulatory functions in cockroach physiology and their potential applications in pest management. In Chapter I, I conducted a comprehensive comparative genomic analysis of neuropeptide precursors across 49 Blattodea species, encompassing a diverse taxonomic range of termites and four cockroach species. The study revealed significant gene loss, duplication, and conservation patterns across different lineages. Notably, I observed the absence of specific neuropeptide genes such as ACP and Gonadulin in several termite families, suggesting potential associations with changes in reproductive strategies or ecological adaptations. In contrast, cockroaches exhibited gene duplications, including duplicates of the AKH gene, indicating diversification of neuropeptide functions within cockroach lineages. Additionally, phylogenetic analyses based on 32 neuropeptide precursors closely aligned with established evolutionary relationships within Blattodea, underscoring the value of neuropeptide genes as molecular markers in evolutionary studies. In Chapter II, I delved into the evolution of AKH ligands and their receptors in Blattodea, uncovering new gene duplication and diversification patterns. Phylogenetic analyses of AKH precursor sequences suggest an ancient AKH gene duplication event in the common ancestor of Blaberoidea, leading to a new set of putative decapeptides specific to this clade. I identified 16 different AKH peptides from 90 species, including the prediction of seven novel decapeptides for the first time. Analysis of AKHR sequences from 18 species reveals highly conserved transmembrane regions characteristic of GPCRs. Phylogenetic analyses based on AKHR sequences support established relationships among termite and cockroach lineages. Additionally, the study investigates predicted post-translational modification sites in AKHRs and finds no significant differences between solitary cockroaches and social termites. In Chapter III, I utilized transcriptomic and peptidomic analyses to carry out a comprehensive analysis of the neuropeptidome of B. germanica. I discovered 69 neuropeptide or neurohormone precursor transcripts in the brain transcriptome, encompassing most of the known insect neuropeptide families. Mass spectrometry confirmed 79 likely bioactive mature neuropeptides and precursor sequences, with many being reported in this species for the first time. Moreover, the bioassay demonstrated that two AKH peptides, including the recently identified novel decapeptide (AKH2), increase carbohydrate levels in both adult male and female B. germanica. Interestingly, females exhibited greater hemolymph carbohydrate mobilization than males when treated with an equal dosage of the AKH peptides, indicating sex-specific metabolic responses. In Chapter IV, I further examined the impact of two distinct AKH peptides on B. germanica at the transcriptome level following the injection of two adipokinetic hormone peptides. RNA sequencing at 3 and 18 hours post-peptide injection revealed significant alterations in metabolic pathways, including enhanced glycolysis, increased tricarboxylic acid cycle activity, and biosynthetic process shifts. I observed distinct transcriptional responses between males and females, indicating potentially differential hormonal regulation, and therefore sexual dimorphism in key physiological traits. Furthermore, I investigated RNA interference-mediated knockdown of AKHR on the host’s response to pathogen infection. I found that knockdown of AKHR led to reduced survival rates upon bacterial infection with Pseudomonas entomophila, underscoring the potential role of AKH signaling in immune defense. In conclusion, this thesis provides a comprehensive exploration of neuropeptide evolution, function, and regulation in Blattodea, with a particular focus on the metabolic roles of AKHs in B. germanica. By integrating genomic, transcriptomic, and peptidomic methodologies, this study enhances our understanding of how neuropeptides contribute to the physiological adaptations of cockroaches and termites. The findings highlight the evolutionary significance of neuropeptide signaling and its potential applications in pest management strategies. This work lays the foundation for future studies on the molecular mechanisms underlying neuropeptide function and their implications for insect ecology and control. Targeting neuropeptide pathways, such as AKH signaling, may offer innovative and sustainable approaches for managing pest populations, thereby mitigating the health risks associated with species like B. germanica.
Diese Dissertation präsentiert eine detaillierte Analyse der Neuropeptid-Evolution, Genregulation und Funktion in Blattella germanica und anderen Arten der Blattodea. Durch die Kombination von genomischen, transkriptomischen und peptidomischen Methoden habe ich die Vielfalt und evolutionären Ursprünge von Neuropeptiden untersucht, mit einem Schwerpunkt auf Adipokinetischen Hormonen (AKHs) und ihren Rezeptoren. Zudem wurden ihre regulatorischen Funktionen in der Physiologie von Schaben erforscht und potenzielle Anwendungen im Schädlingsmanagement aufgezeigt. In Kapitel I führte ich eine umfassende vergleichende genomische Analyse von Neuropeptid-Vorläufern über 49 Blattodea-Arten durch, die ein breites taxonomisches Spektrum von Termiten und vier Schabenarten abdecken. Die Studie enthüllte signifikante Muster von Genverlust, Duplikation und Konservierung in verschiedenen Abstammungslinien. Bemerkenswert ist das Fehlen spezifischer Neuropeptid-Gene wie ACP und Gonadulin in mehreren Termitenfamilien, was auf potenzielle Zusammenhänge mit Veränderungen in Reproduktionsstrategien oder ökologischen Anpassungen hindeutet. Im Gegensatz dazu zeigten Schaben Gen-Duplikationen, einschließlich Duplikaten des AKH-Gens, was auf eine Diversifizierung der Neuropeptid-Funktionen innerhalb der Schabenlinien hinweist. Darüber hinaus stimmten phylogenetische Analysen basierend auf 32 Neuropeptid-Vorläufern eng mit den etablierten evolutionären Beziehungen innerhalb der Blattodea überein und unterstreichen den Wert von Neuropeptid-Genen als molekulare Marker in Evolutionsstudien. In Kapitel II vertiefte ich mich in die Evolution von AKH-Liganden und ihren Rezeptoren in Blattodea und entdeckte neue Muster von Gen-Duplikation und Diversifikation. Phylogenetische Analysen der AKH-Vorläufersequenzen deuten auf ein uraltes AKH-Gen-Duplikationsereignis im gemeinsamen Vorfahren der Blaberoidea hin, was zur Entstehung einer neuen Reihe mutmaßlicher Decapeptide führte, die spezifisch für diese Klade sind. Ich identifizierte 16 verschiedene AKH-Peptide aus 90 Arten, einschließlich der erstmaligen Vorhersage von sieben neuartigen Decapeptiden. Die Analyse der AKHR-Sequenzen aus 18 Arten zeigt hochkonservierte Transmembranregionen, die charakteristisch für GPCRs sind. Phylogenetische Analysen basierend auf AKHR-Sequenzen unterstützen die etablierten Beziehungen zwischen Termiten- und Schabenlinien. Zudem untersucht die Studie vorhergesagte posttranslationale Modifikationsstellen in AKHRs und findet keine signifikanten Unterschiede zwischen solitären Schaben und sozialen Termiten. In Kapitel III nutzte ich transkriptomische und peptidomische Analysen, um eine umfassende Untersuchung des Neuropeptidoms von B. germanica durchzuführen. Ich entdeckte 69 Neuropeptid- oder Neurohormon-Vorläufertranskripte im Gehirntranskriptom, die die meisten der bekannten Insekten-Neuropeptid-Familien umfassen. Die Massenspektrometrie bestätigte 79 vermutlich bioaktive reife Neuropeptide und Vorläufersequenzen, von denen viele erstmals in dieser Art berichtet wurden. Darüber hinaus zeigte der Bioassay, dass zwei AKH-Peptide, einschließlich des kürzlich identifizierten neuartigen Decapeptids (AKH2), die Kohlenhydratspiegel sowohl bei männlichen als auch weiblichen adulten B. germanica erhöhen. Interessanterweise zeigten Weibchen eine stärkere Mobilisierung von Kohlenhydraten im Hämolymph als Männchen bei gleicher Dosierung der AKH-Peptide, was auf geschlechtsspezifische metabolische Reaktionen hinweist. In Kapitel IV untersuchte ich weiter die Auswirkungen von zwei verschiedenen AKH-Peptiden auf B. germanica auf Transkriptomebene nach Injektion. Die RNA-Sequenzierung 3 und 18 Stunden nach Peptid-Injektion zeigte signifikante Veränderungen in Stoffwechselwegen, einschließlich verstärkter Glykolyse, erhöhter Aktivität des Tricarbonsäurezyklus und Verschiebungen in biosynthetischen Prozessen. Ich beobachtete unterschiedliche transkriptionelle Reaktionen zwischen Männchen und Weibchen, was auf eine potenziell differenzielle hormonelle Regulation und somit auf sexuellen Dimorphismus in wichtigen physiologischen Merkmalen hindeutet. Zudem untersuchte ich die RNA-Interferenz-vermittelte Herunterregulierung von AKHR auf die Wirtsreaktion bei einer Pathogeninfektion. Ich stellte fest, dass die Herunterregulierung von AKHR zu reduzierten Überlebensraten bei bakterieller Infektion mit Pseudomonas entomophila führte, was die potenzielle Rolle der AKH-Signalübertragung in der Immunabwehr unterstreicht. Abschließend bietet diese Dissertation eine umfassende Erforschung der Neuropeptid-Evolution, -Funktion und -Regulation in Blattodea, mit besonderem Fokus auf die metabolischen Rollen von AKHs in B. germanica. Durch die Integration von genomischen, transkriptomischen und peptidomischen Methoden vertieft diese Studie unser Verständnis dafür, wie Neuropeptide zu den physiologischen Anpassungen von Schaben und Termiten beitragen. Die Ergebnisse heben die evolutionäre Bedeutung der Neuropeptid-Signalübertragung und ihre potenziellen Anwendungen in Schädlingsmanagementstrategien hervor. Diese Arbeit legt den Grundstein für zukünftige Studien über die molekularen Mechanismen der Neuropeptid-Funktion und ihre Implikationen für Insektenökologie und -kontrolle. Die Zielgerichtetheit auf Neuropeptid-Wege, wie die AKH-Signalübertragung, könnte innovative und nachhaltige Ansätze für das Management von Schädlingspopulationen bieten und somit die Gesundheitsrisiken im Zusammenhang mit Arten wie B. germanica mindern.
