The evolutionary success of the class Insecta can be partially attributed to its association with bacteria. Association with non-pathogenic microorganisms ensures the maintenance of complex phenotypes, with host and microbiota that respond together to adverse environmental conditions. In previous studies, we have shown that insecticide-resistant strains and natural populations of Spodoptera frugiperda carry insecticide-metabolizing bacteria (IMB) in their gut, some of which are fixed and have a distinct ability to metabolize different insecticides. Thus, we hypothesized that S. frugiperda and its microbiota behave as a single organism (holobiont), and aim to better characterize the IMB and verify their potential in the detoxification and response of this lepidopteran to insecticides. The IMB characterization was achieved through genomic, metatranscriptomic and metabolomic analyses. Our research has enabled the identification of genes and pathways associated with the potential metabolization of toxic compounds by bacteria, as well as aspects of their interaction and evolution with the host. Genome-based taxonomic studies led to a re-evaluation of the IMB taxonomic identities, highlighting the need to reconsider bacterial identification based solely on 16S rRNA sequencing. New bacterial species associated with the gut of S. frugiperda were described: Enterococcus entomosocium n. sp., Enterococcus spodopteracolus n. sp., and Pseudomonas fraudulenta n. sp. The remaining IMB under study were classified as Acinetobacter soli or as different subspecies of the recently described Pseudomonas bharatica. The analyzed IMB showed a remarkable enzymatic repertoire involved in xenobiotic degradation, including carboxylesterases, dehalogenases, and dehydrogenases and, for some of them, detoxification enzymes such as glutathione-S-transferases, superoxide dismutases and peroxiredoxins. Enterococcus, Acinetobacter, and Pseudomonas isolates were found to carry in their genomes the molecular machinery for interacting with the host, including mechanisms for gut colonization, nutrient supply, modulation of the gut microbiota, and interactions with host immune system. However, experiments on gut colonization of S. frugiperda by isolates of Acinetobacter soli and Pseudomonas bharatica suggested that these species may require the host maintenance under insecticide selection pressure to secure the colonization of the host gut. The comprehensive analysis of the response of susceptible and resistant strains of S. frugiperda to the insecticides flubendiamide, spinosad and teflubenzuron highlighted the complex interplay between host phenotype, microbial communities and insecticide exposure on the larval metabolome and on the transcriptional activity of the gut microbiota. The analysis revealed that insecticide exposure and resistance evolution induce metabolic changes that affect host immunity, alter the host's interactions with its gut microbial community, and potentially affect associations with associated viruses. Finally, the analysis of the association of E. entomosocium and E. spodopteracolus with other species of the genus Spodoptera revealed that they do not carry enough genetic variation to be separated as taxonomic entities at either the species or subspecies level, showing that these bacteria did not accumulate enough genetic variation after the Spodoptera speciation process due to the process of co-speciation.

O sucesso evolutivo da classe Insecta pode ser parcialmente atribuído à sua associação com bactérias. A associação com microrganismos não patogênicos garante a manutenção de fenótipos complexos, em que hospedeiro e microbiota respondem juntos a condições ambientais adversas. Em estudos anteriores, demonstramos que linhagens resistentes a inseticidas e populações naturais de Spodoptera frugiperda carregam em seu intestino bactérias metabolizadoras de inseticidas (BMI), algumas delas fixadas e com capacidade distinta de metabolizar diferentes inseticidas. Com a hipótese de que S. frugiperda e sua microbiota se comportam como um organismo único (holobionte), este trabalho tem como objetivo melhor caracterizar as BMI e verificar seu potencial na desintoxicação e na resposta desse lepidóptero a inseticidas. A caracterização das BMI foi realizada por meio de análises genômicas, metatranscritômicas e metabolômicas. Genes e vias associadas à possível metabolização de compostos tóxicos por bactérias foram identificados, bem como aspectos de sua interação e evolução com o hospedeiro. Estudos taxonômicos baseados no genoma permitiram a reavaliação da identidade taxonômica das BMI, destacando a necessidade de reconsiderar identificações bacterianas baseadas apenas no sequenciamento do gene 16S rRNA. Novas espécies bacterianas associadas ao intestino de S. frugiperda foram descritas, denominadas Enterococcus entomosocium n. sp., Enterococcus spodopteracolus n. sp., e Pseudomonas fraudulenta n. sp. As demais BMI foram classificadas como Acinetobacter soli ou como diferentes subespécies da recentemente descrita Pseudomonas bharatica. As BMI analisadas apresentaram um notável repertório enzimático envolvido na degradação de xenobióticos, incluindo carboxilesterases, dehalogenases e desidrogenases e, para algumas delas, enzimas de desintoxicação, como glutationa-S-transferases, superóxido dismutases e peroxirredoxinas. Constatou-se que os isolados de Enterococcus, Acinetobacter e Pseudomonas carregam em seus genomas o maquinário molecular para interagir com o hospedeiro, incluindo mecanismos para colonização intestinal, fornecimento de nutrientes, modulação da microbiota intestinal e interações com o sistema imunológico do hospedeiro. No entanto, experimentos para a colonização intestinal de S. frugiperda por isolados de Acinetobacter soli e Pseudomonas bharatica sugerem que, para essas espécies, isso ocorre somente quando o inseto hospedeiro está sob pressão de seleção pelo inseticida. A análise compreensiva da resposta de linhagens suscetíveis e resistentes de S. frugiperda aos inseticidas flubendiamide, spinosad e teflubenzuron destacou a complexa interação entre o fenótipo do hospedeiro, as comunidades microbianas e a exposição ao inseticida no metaboloma larval e na atividade transcricional da microbiota intestinal. A análise revelou que a exposição ao inseticida e a evolução da resistência induzem mudanças metabólicas que afetam a imunidade do hospedeiro, alteram as interações do hospedeiro com sua comunidade microbiana intestinal e, possivelmente, afetam as associações com vírus associados. Por fim, a análise da associação de E. entomosocium e E. spodopteracolus com outras espécies do gênero Spodoptera revelou que elas não apresentam variação genética suficiente para serem separadas como entidades taxonômicas ao nível de espécie ou subespécie, mostrando que essas bactérias não acumularam variação genética suficiente após o processo de especiação de Spodoptera, devido ao processo de co-especiação.