Course Syllabus
Obiettivi
Tutti gli organismi viventi interagiscono con altri organismi nel corso della loro intera esistenza. Nei casi estremi, come le simbiosi intracellulari, l’habitat di un organismo è addirittura un altro vivente. Lo studio di queste interazioni avviene integrando diverse fonti di informazione biologica (zoologia, genetica, fisiologia, ecologia, microbiologia, bioinformatica, ecc.). Comprendere le caratteristiche e i fini meccanismi coinvolti in queste interazioni è una grande sfida della scienza di base e ha numerosi risvolti applicativi che spaziano dalla conservazione della biodiversità e degli ecosistemi alla caratterizzazione delle comunità microbiche che influenzano la salute umana o che permettono le principali attività di biotrasformazione delle risorse naturali. 1) Conoscenza e Capacità di Comprensione: Al termine dell'insegnamento lo studente acquisirà conoscenze riguardo i diversi livelli di complessità delle interazioni nel contesto animale, da quelle con organismi simbionti unicellulari, a quelle con l'ambiente (es. servizi ecosistemici). Inoltre verranno affrontate tematiche relative alla manipolazione comportamentale di ospiti animali a seguito di interazioni con altri organismi. 2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite al punto 1 a materie o percorsi di tesi che affronterà in futuro. 3) Autonomia di giudizio: Lo studente dovrà essere in grado di elaborare in modo critico quanto appreso e scegliere l’approccio più adeguato per collegare le caratteristiche funzionali di organisimi animali a livelli di interazione complessi estesi quali ad esempio i servizi ecosistemici. 4) Abilità comunicative: Alla fine dell'insegnamento lo studente saprà descrivere in modo chiaro e con proprietà di linguaggio le diverse tipologie di interazioni animali e i loro effetti sia in ambito evoluzionistico che applicativo (ad es. bioprospecting, servizi ecosistemici). 5) Capacità di apprendimento: Alla fine dell'insegnamento lo studente avrà le competenze necessarie per affrontare in autonomia gli studi successivi che richiedano conoscenze di simbiosi, identificazione molecolare di organisimi e loro interazioni. Inoltre lo studente sarà in grado di associare e integrare le conoscenze apprese con i concetti che assimilerà negli insegnamenti futuri.
Contenuti sintetici
L'insegnamento si occupa di affrontare in modo integrato e a più livelli lo studio delle interazioni biologiche in cui sono coinvolti organismi animali. Ci sono molte modalità con cui questo insegnamento potrebbe essere trattato. Nell'insegnamento erogato presso il nostro corso di studi verrà offerta una panoramica dei principali tipi di interazione e delle basi evolutive e funzionali ad essi connesse. Particolare attenzione sarà rivolta alle applicazioni in ambito conservazionistico, gestionale e di bioprospecting delle tipologie di interazione trattate.
Programma esteso
Aspetti generali delle interazioni animali
- Definizione e importanza delle interazioni biologiche
- Diversità funzionale e diversità di interazione
- Reti di interazione
- Perché studiare le interazioni biologiche animali?
o Aspetti teorici (metanalisi)
o Servizi ecosistemici
o Questioni di biologia della conservazione (estinzione delle specie vs. estinzione delle interazioni)
o Salute umana (bioprospezione)
o Questioni sociali ed economiche
- La diversità delle interazioni tra animali
o La caratterizzazione multilivello delle interazioni animali
Un focus sulle simbiosi
- Definizioni (simbiosi, ospite, simbionte)
- Aspetti storici
- Classificazione delle interazioni
o Interazioni antagoniste
o Interazioni mutualistiche
o Interazioni di consumo
o Interazioni competitive (amensalismo, allelopatia, antibiosi)
- Inquadramento delle interazioni (competizione di sfruttamento, competizione apparente)
- Tipi di simbiosi (ed esempi)
o Commensalismo
o Amensalismo
o Inquilinismo
o Foresia
o Parassitismo e parassitoidi
- Effetti indiretti del mutualismo
- Il problema della classificazione delle interazioni simbiotiche
- Parassitismo sessuale
- Quanto dipendono dal contesto le interazioni tra le specie?
La sfida dell'identificazione
- Perché dobbiamo identificare gli "interactors"?
- Limitazioni degli approcci classici all'identificazione
- L'identificazione delle specie è difficile?
- Identificazione molecolare (approcci basati su metodi DNA-based target e untarget)
o DNA barcoding
* o Concetti tassonomici integrativi (MOTU, IOTU, UCS, DCL, CCS)
o DNA Metabarcoding
* DNA ambientale
* DNA metabarcoding per identificare le interazioni tra gli animali
* Applicazioni moderne dell'eDNA
o Metagenomica
o Metatrascrittomica
Simbiosi intracellulari
- Definizioni e contesto
- I domini della vita (Archaea, Bacteria, Eucarya)
- L'origine endosimbiotica degli eucarioti
o Endosimbiosi (aspetti storici)
o La teoria dell'endosimbiosi seriale (SET)
* Quali supporti alla SET (casi di studio e altri aspetti biologici)?
* Undulipodia
* Cronologia della SET
o L'origine dei mitocondri
* Mitochondrial early
* Mitochondrial late
* Ipotesi sintropica
o L'origine dei plastidi
o L'origine di altri organelli (perossisomi)
o L'origine del nucleo
* Origine chimerica
* Origine virale
- L'ospite originario (nuove teorie)
Interazioni insetti-batteri
- Aspetti generali
o Simbionti primari e secondari
* Batteriociti, co-filogenesi, contrazione del genoma
* Trasmissione verticale e orizzontale
- Perché gli insetti hanno bisogno di batteri simbionti intracellulari?
- Caso di studio: Afidi e Buchnera
- Caso di studio: pseudococcidi e batteri
- Altri casi di studio su insetti che si nutrono di linfa: Bemisia tabaci
- Geni rubati e interazioni nutrizionali
o Il trasferimento genico orizzontale
o Casi di studio
- Altre simbiosi intracellulari negli insetti
o Formiche Camponotus e Blochmannia
o Scarafaggi e Blattabacterium
- Insetti ematofagi
o Caso di studio: Mosche Glossina e Wigglesworthia / Sodalis
Altre interazioni nutrizionali intracellulari
- Caso di studio: Olavius algarvensis
- Caso di studio: Molluschi Bathymodiolus
- Caso di studio: Riftia pachyptila
- Studio di caso: Osedax mucofloris
Interazioni cleptoplastiche tra Molluschi Sacoglossa e alghe
Wolbachia
- Aspetti storici
- Effetti e trasmissione di Wolbachia nei nematodi filarioidi e negli artropodi
- Origine, presenza e diversificazione di Wolbachia
Supergruppi di Wolbachia
* Valutazione filogenetica dei supergruppi e problemi
* L'enigma del supergruppo F
- La manipolazione della diversità genetica e della sex-ratio negli insetti mediata da Wolbachia
o Incompatibilità citoplasmatica
* Unidirezionale vs. bidirezionale
* Infezione da Wolbachia e delimitazione delle specie negli insetti
* Caso di studio: Ischnura spp.
* Caso di studio: Andrena spp.
o Partenogenesi indotta
o Effetto ammazza-maschi
o Femminilizzazione genetica dei maschi
o Effetti multipotenti
o Effetti positivi
o Vero parassitismo
- Wolbachia: trasferimento laterale di geni agli ospiti eucarioti
- Wolbachia a parte: i batteri Torix
Interazioni di bioluminescenza
- Definizione e concetti di base
- I meccanismi della bioluminescenza
o Trasferimento genico orizzontale
o Dieta
o Simbiosi
- Caso di studio: Euprymna scolopes e Vibrio fischeri
o Meccanismo e tempi di colonizzazione di Vibrio fischeri
o Modifiche in *E. scolopes *indotte da V. fischeri
o Modifica di *V. fischeri *dopo la colonizzazione
o Meccanismi di regolazione dell'interazione
o L'induzione della bioluminescenza
- Altri batteri simbionti bioluminescenti
Impollinazione
- Ecologia dell'impollinazione: singole specie e reti complesse
- Studio dell'impatto dei fattori di stress antropico sugli insetti impollinatori
- Connessioni tra salute degli impollinatori e salute umana: una prospettiva nutrizionale
Dispersione dei semi
- Contesto e importanza
- Il "punto di vista" della pianta
o Efficacia della dispersione dei semi
o Seed Rain
o Casi di studio
- Il "punto di vista" del dispersore
- Dispersione e migrazione dei semi
o Il paradosso della frugivoria
o La scala geografica della dispersione dei semi
* Dispersione a breve distanza
* Dispersione a lunga distanza- Come studiare la dispersione dei semi
o Casi di studio - I driver globali della dispersione dei semi
o Disfunzionalità
o Specie invasive - Dispersione dei semi e restauro ambientale
- Come studiare la dispersione dei semi
Manipolazione dell'ospite da parte dei parassiti
- Contesto e rilevanza nel contesto delle interazioni animali
o L'ipotesi dell'autostop
o Effetti positivi della manipolazione sull'ospite
- Aspetti storici
- Aspetti evolutivi
o Manipolazione sensu stricto
o Virulenza facoltativa: strategia mafiosa
o Sfruttamento delle risposte compensatorie
o L'evoluzione della manipolazione dopo la sua comparsa
- Significato adattativo della manipolazione dell'ospite
- Meccanismi alla base della manipolazione del comportamento dell'ospite
o Caso di studio: Toxoplasma gondii
o Caso di studio: Neurovirus
o Caso di studio: Gammaridi e Acantocefali
o Caso di studio: Grilli suicidi
o Caso di studio: Manipolazione della guardia del corpo
o Caso di studio: Funghi e insetti "zombie
o Caso di studio: l'autotomia estrema nei molluschi sacoglossi
o Un possibile ruolo dei microbiomi ospite/parassita?
- Manipolazione del fenotipo vegetale
o Contesto e rilevanza
o Manipolazione mediata dagli erbivori
* Shelter-building herbivores
* Canal cutting insects
* Green islands-inducing insects
o Manipolazione delle interazioni pianta-impollinatore
- Inganno visivo nei parassiti di cova
o Caso di studio: Cuculus canorus
o Caso di studio: gli uccelli vedova
- Manipolazione dell'ospite di covata
- Manipolazione sociale dell'ospite
SEMINARI:
Prerequisiti
Microbiologia, Zoologia, Conoscenze di base di biologia cellulare e molecolare.
Modalità didattica
Lezioni frontali. Alcune lezioni potrebbero essere effettuate in modalità di seminario specialistico tenuto da ricercatori esperti nei settori trattati durante il corso.
- 21 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza.
Materiale didattico
Articoli scientifici comunicati dal docente durante le lezioni. Gli studenti potranno ottenerli avvalendosi delle risorse bibliotecarie di ateneo a cui hanno accesso. Verranno rese disponibili su piattaforma elearning di ateneo le slides delle lezioni e dei seminari.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'accertamento delle conoscenze per l'insegnamento in oggetto consisterà in un esame finale orale. L'esame inizierà con la discussione critica di un articolo scientifico, scelto dallo studente e approvato preventivamente dal docente riguardante le tematiche generali trattate nell'insegnamento. Avrà luogo quindi l'accertamento degli argomenti inclusi nel programma dell'insegnamento.
Non sono previste prove in itinere.
Orario di ricevimento
Su appuntamento previa email al docente (andrea.galimberti@unimib.it)
Sustainable Development Goals
Aims
All living beings interact with other organisms during their life’s cycle. In extreme cases such as intracellular symbioses, habitat could act as another organism. The study of these interactions is conducted by integrating different sources of biological information (zoology, genetics, physiology, ecology, microbiology, bioinformatics). Understanding characteristics and the mechanisms involved in such biological interactions is challenging in a context of base science. This kind of investigation also has many applicative outcomes ranging from biodiversity and ecosystems conservation to the characterization of microbial communities. Microbiomes influence human health and allows the principal activities of biotransformation of natural resources. 1) knowledge and understanding: A the end of the course, the student will have acquired knowledge regarding the different levels of complexity of interactions in the animal context, from those involving microbial organisms to those with the environment. Moreover, topics related to the host behavior manipulation mediated by interaction with other organisms will be discussed. 2) Applying knowledge and understanding: At the end of the course, the student will be able to apply the knowledge acquired during the course to other courses or thesis programs involving the issue of animal interactions. 3) Making judgements: The student will be able to critically adopt the acquired knowledge and choose the most reliable approach to link the functional traits of organisms to their possible complex interactions, for example in a context of ecosystem services. 4) Communication skills: At the end of the course, the student will be able to describe clearly, and with an adequate language the different types of interactions and their effects in terms of evolutionary aspects and applied contexts (e.g., bioprospecting). 5) Learning skills: At the end of the course, the student will have the necessary knowledge to deal with the next studies that will require knowledge of symbioses, molecular identification of organisms and their interactions. Finally, the student will be able to associate and integrate the acquired knowledge with the concepts belonging to the successive courses.
Contents
The course aims at discussing the study of biological interactions involving animal species under an integrative and multilevel approach. There are many possible ways to treat these topics. In this course, provided in the framework of our master program, it will be offered a wide overview concerning the principal kinds of interactions, including their evolutionary and functional aspects. Specific attention will be devoted to the application of animals' biological interactions in terms of conservation, management of natural resources and bioprospecting.
Detailed program
General aspects of animals’ interactions
• Definition and importance of biological interactions
• Functional diversity and interaction diversity
• Interaction networks
• Why study animals’ biological interactions?
o Theoretical aspects (metanalyses)
o Ecosystem services
o Conservation biology issues (extinction of species vs. extinction of interactions)
o Human health (bioprospecting)
o Social and economic issues
• The diversity of animals’ interactions
o The multilevel characterization of animal interactions
A focus on symbioses
• Definitions (symbiosis, host, symbiont)
• Historical aspects
• Classification of interactions
o Antagonistic interactions
o Mutualistic interactions
o Consumption interactions
o Competitive interaction (amensalism, allelopathy, antibiosis)
• Framing the interactions (exploitation competition, apparent competition)
• Types of symbiosis (and examples)
o Commensalism
o Amensalism
o Inquilinism
o Phoresy
o Parasitism and parasitoids
• Indirect effects of mutualism
• The problem of classifying symbiotic interactions
• Sexual parasitism
• How context-dependent are species interactions?
The challenge of identification
• Why do we need to identify the “interactors”?
• Limitations of classical identification approaches
• Is species identification challenging?
• Molecular identification (target and untarget DNA-based approaches)
o DNA barcoding
* Integrative taxonomic concepts (MOTUs, IOTUs, UCSs, DCLs, CCSs)
o DNA metabarcoding
* Environmental DNA
* DNA metabarcoding to identify animal interactions
* Modern applications of eDNA
o Metagenomics
o Metatranscriptomics
Intracellular symbioses
• Definitions and context
• The domains of life (Archaea, Bacteria, Eucarya)
• The endosymbiotic origin of eukaryotes
o Endosymbiosis (historical aspects)
o The Serial Endosymbiosis Theory (SET)
* Which supports to the SET (case studies and other biological aspects)
* Undulipodia
* Set chronology
o The origin of mitochondria
* Mitochondrial early theory
* Mitochondrial late theory
* Syntrophic hypothesis
o The origin of plastids
o The origin of other organelles (peroxisomes)
o The origin of the nucleus
* Chimeric origin
* Viral origin
• The original host (new theories)
Insects – bacteria interactions
• General aspects
o Primary and secondary symbionts
* Bacteriocytes, co-phylogeny, genome shrinkage
* Vertical vs. horizontal transmission
• Why insects need intracellular symbiotic bacteria?
• Case study: Aphids and Buchnera
• Case study: pseudococcidae and bacteria
• Other case studies on sap-feeding insects: Bemisia tabaci
• Stolen genes & nutritional interactions
o The Horizontal Gene Transfer
o Case studies
• Other intracellular symbioses in insects
o Camponotus ants and Blochmannia
o Cockroaches and Blattabacterium
• Hematophagous insects
o Case study: Glossina flies and Wigglesworthia / Sodalis
Other intracellular nutritional interactions
• Case study: Olavius algarvensis
• Case study: Bathymodiolus molluscs
• Case study: Riftia pachyptila
• Case study: Osedax mucofloris
Sacoglossa and kleptoplasty interactions
Wolbachia
• Historical aspects
• Effects and transmission of Wolbachia in filarioid nematodes and arthropods
• Origin, occurrence and diversification of Wolbachia
o Wolbachia supergroups
* Phylogenetic assessment of supergroups and problems
* The enigma of supergroup F
• The manipulation of genetic diversity and sex-ratio in insects mediated by Wolbachia
o Cytoplasmatic incompatibility
* Unidirectional vs. bidirectional
* Wolbachia infection and species delimitation in insects
* Case study: Ischnura spp.
* Case study: Andrena spp.
o Induced parthenogenesis
o Male-killing effect
o Genetic males feminization
o Multi-potent effects
o Positive effects
o True Parasitism
• Wolbachia: Lateral gene transfer to eukaryotes hosts
• Aside Wolbachia: the Torix bacteria
Bioluminescence interactions
• Definition and base concepts
• The mechanisms of bioluminescence
o Horizontal Gene Transfer
o Diet
o Symbiosis
• Case study: Euprymna scolopes and Vibrio fischeri
o Vibrio fischeri colonization mechanism and timing
o Modification in E. scolopes induced by V. fischeri
o Modification of V. fischeri after the colonization
o Regulation mechanisms of the interaction
o The induction of bioluminescence
• Other bioluminescent symbiotic bacteria
Pollination
• Pollination ecology: single species and complex networks
• investigating the impact of anthropogenic stressors on pollinator insects
• Connections between pollinators health and human health: a nutritional perspective
Seed dispersal
• Background and importance
• The plant “point of view”
o Seed Dispersal Effectiveness
o Seed Rain
o Study cases
• The disperser “point of view”
• Seed dispersal and migration
o The frugivory paradox
o The geographic scale of seed dispersal
* Short-ranged dispersal
* Long distance dispersal
• How to study seed dispersal
o Case studies
• Global drivers of seed dispersal
o Defaunation
o Invasive species
• Seed dispersal and restoration
Host manipulation by parasites
• Background and relevance in the context of animal interactions
o The “hitch-hiking” hypothesis
o Positive effects of manipulation on the host
• Historical aspects
• Evolutionary aspects
o Manipulation sensu stricto
o Facultative virulence: mafia-like strategy
o Exploitation of compensatory responses
o The evolution of manipulation after its emergence
• Adaptative significance of host manipulation
• Mechanisms behind host’s behavior manipulation
o Case study: Toxoplasma gondii
o Case study: Neuroviruses
o Case study: Gammarids and Acanthocephalans
o Case study: Suicidal crickets
o Case study: Bodyguard manipulation
o Case studies: Fungi and “Zombie” insects
o Case Study: the extreme autotomy in Sacoglossan molluscs
o A possible role of host/parasite microbiomes?
• Manipulation of plant phenotype
o Background and relevance
o Manipulation mediated by herbivores
* Shelter-building herbivores
* Canal cutting insects
* Green islands-inducing insects
o Manipulation of plant-pollinator interactions
• Visual trickery in avian brood parasites
o Case study: Cuculus canorus
o Case study: the widow birds
• Brood care host manipulation
• Social host manipulation
SEMINARS:
Prerequisites
Microbiology, Zoology, basic knowledge of cell biology and molecular biology.
Teaching form
Lectures in the classroom. Some lessons could be seminars hold by experts in the sectors discussed during the course.
- 21 lessons (2 hours each) held in presence
Textbook and teaching resource
Scientific articles provided by the teacher during lessons. Students can obtain them by accessing to the electronic library of the University. The slides of classoroom lessons and seminars will be available on the elearning Platform.
Semester
First semester
Assessment method
The verification of the knowledge aquired during the course will consist in an oral examination at the end of the course. The examination will start with the critique discussion of a scientific article chosen by the student (and previously approved by the teacher), concerning the general issues treated in the lessons. The examination will continue with the discussion of the arguments included in the program of the course.
There will be not intermediate tests.
Office hours
Upon request by email (andrea.galimberti@unimib.it)
Sustainable Development Goals
Staff
-
Andrea Galimberti
