Úloha bakterie Wolbachia v reprodukční nekompatibility a hybridní zóny brouci bázlivce kukuřičného a Gryllus cvrčci

VÝSLEDKY A DISKUSE

bázlivce kukuřičného je Nový Svět rod chrysomelid brouci, který je primárně Neotropical v jeho distribuci a jejichž původ je pravděpodobně v regionu Střední nebo Tropické Jižní Ameriky (28). Dnes jeho rozsah zahrnuje většinu z Spojených Státech na východ od Skalistých hor a na sever od 35. rovnoběžky, státy Mexika severozápadně od Durango (kromě Baja, CA), jižní oblasti Ontario, Kanada, a nedávné zavedení do východní Evropy (29). Distribuce D. v. zeae zahrnuje oblast od Guatemala po střední Mexiko v žebrat Texasu a části jižní Oklahoma (28). Rozšířená produkce kukuřice může také usnadnit pohyb D. v. zeae na sever od Mexika, což má za následek oblast sekundárního kontaktu s D. v. virgifera v severním Texasu, kde poddruh hybridizuje (13).

Dospělí D. v. zeae vzorku z Stephenville a Uvalde v jižním Texasu nebyly infikovány Wolbachia vzhledem k tomu, že dospělí v. D. virgifera od 15 místech v rámci Spojených Států a kanady distribuci v. D. virgifera pozitivní na Wolbachia, s výjimkou dvou lokalit na Duncan a Willcox, AZ. Dvacet-jeden dospělí od tří lokalit v severním Texasu hybridní zóny také pozitivně testován, včetně pěti vzorků s indexem vzory v rozmezí variace D. v. zeae (J. Krysan osobní komunikace). Sekvence genu Ftsz Wolbachie od jednotlivých jedinců z Urbany, the, Moriarty, NM, a Blacksburg, VA, byly identické. Kromě toho, trávení podniku drai z ftsZ fragment získaných s (i) obecné B-specifické primery, (ii) ftsZf1, a (iii) ftsZr1 uvedeno, že populace D. v. virgifera ze všech vzorkovaných místech nesou stejný kmen Wolbachia. Fylogenetická analýza pomocí genu 16S rRNA umístila tento kmen do bazální polohy s nevyřešeným vztahem k jiným kmenům Wolbachia(výsledky nejsou zobrazeny). Gen ftsZ (23, 30) také identifikoval Wolbachii z D. v. virgifera jako bazální kmen a odlišný od většiny ostatních kmenů ve skupině A (obr. 1). Vzhledem ke konzistenci infekce a napětí-typ celé distribuce. D. v. virgifera, stejně jako rychlé šíření tohoto druhu v Severní Americe, jsme naznačují, že infekce došlo v jihozápadní Spojených Státech nebo v severozápadním Mexiku, než expanze na východ, v. D. virgifera ve Spojených Státech a Kanadě. Neinfikovaný D. v. populace virgifera v jižní Arizoně mohou být zbytky původní neinfikované populace nebo mohou představovat izolované populace, které ztratily infekci.

v. D. virgifera a D. v. zeae jsou morfologicky velmi podobné (13), s výjimkou černé elytral maculation, který je charakteristický v. D. v. virgifera a omezuje se na humerus nebo je nepřítomen v. D. v. zeae. Poddruh nejsou ekologicky izolované, protože jsou oba nacházejí na kukuřici, ani časově izolované, protože mají stejné diapauza mechanismus. Behaviorální studie nenaznačují žádné předcházející bariéry reprodukce, protože oba poddruhy reagují na feromon stejného pohlaví a během experimentů s výběrem Páření nebyla provedena žádná diskriminace (13). Když přešel, dva poddruhy byly úrodné v jednom směru, tj., D. v. zeae muži z centrálního Mexika pářil s D. v. virgifera ženy z Jižní Dakoty vzhledem k tomu, že vzájemné vyrábí velmi málo k žádné životaschopné potomstvo (14). Otestovat, zda je jednosměrná nekompatibilita způsobena infekcí Wolbachia identifikovanou U D. v. virgifero, udělali jsme reciproční křížky z infikované a tetracyklinem ošetřené D. v. virgifera. Výsledky naznačují, že kmen Wolbachia, který infikuje v. D. virgifera je schopen vyvolat závažné cytoplazmatická nekompatibilita, jen s 0,4% 5627 vejce násadová, když nakažený v. D. virgifera mužů byly zkřížené s tetracyklin léčených neinfikovaných v. D. virgifera žen (Tabulka 1, kříž, d).

Jsme také založil laboratorní kolonie D. v. zeae s exempláře z Stephenville, TX, a potvrdil, že D. v. zeae samice křížený s D. v. virgifera samci produkují velmi málo k žádné potomky vzhledem k tomu, že vzájemné výsledky v normální egg hatch (Tabulka 1, kříže f a h) (14). Když jsme se opakovat kříže pomocí tetracyklinu léčených v. D. virgifera mužů, neslučitelnost již existoval, a vejce se líhnou sazby byly pozorovány které nebyly významně odlišné od kontrol (Tabulka 1, kříž g), potvrzující, že jednosměrný páření nekompatibility těchto dvou poddruhů je způsobena přítomností Wolbachia v. D. v. virgifera.

podobné reprodukční inkompatibility byly také hlášeny mezi některými členy rodu Gryllus v Severní Americe. Rod Gryllus je rozšířen po většině světa s výjimkou východní Asie a Tichomoří (31). Na základě počtu druhů, je možné, že rod vznikl v Novém Světě nebo v Africe, kde několik rodů podobné Gryllus byly zaznamenány (32). V Severní Americe, rodu Gryllus má několik blízce příbuzných druhů, z nichž některé jsou obtížné odlišit na základě morfologických znaků sám. Na počátku století byla tato skupina považována za jediný druh s vysokým stupněm variability (33). Následná práce využívala především volání písní (34).

několik druhů rodu Gryllus bylo prokázáno, že jsou jednosměrné nebo obousměrné nekompatibilní. Jednosměrné nekompatibilita mezi G. pennsylvanicus mužů a G. firmus ženy ve východních Spojených Státech (19) odráží v. D. virgifera a D. v. zeae. Zjistili jsme, že, s výjimkou G. firmus, vzorky ze všech Gryllus druhů, které jsme studovali, jsou obvykle infikovány Wolbachia, někdy s více, než jedním kmenem (Obr. 2 a 3). Nekompatibility hlášené mezi různými druhy tohoto rodu lze vysvětlit infekcí touto bakterií. Naše studie ukázala následující vzorce infekce. Populace G. číslo vzorku z Humboldt County, NV, a Wayne County, UT, jsou nakažené stejným kmenem bakterie Wolbachia, které označujeme jako „integer.“Populace ve vzorku v Davis, CA, byl také napaden typu celé číslo, s výjimkou jednoho jedince, který kryl stejný kmen Wolbachia, jak bylo zjištěno v G. rubense, který označujeme jako „rubens typ.“Populace vzorkovaná v Las Cruces, NM, měla dva jedince infikované kmenem Rubensova typu Wolbachia a tři jedince, kteří byli dvakrát infikováni kmeny Rubensova a celočíselného typu. G celé populace v Austin a Dallas, TX, také kryl stejný bakteriální kmen, který, na základě 16S rRNA genu a ftsZ gen, zdá identický se, že našel v G. rubense z Lake Placid a Gainesville, FL. Tento kmen typu rubens se vyskytuje také u vzorků G. ovisopis odebraných z Gainesville. Mohli jsme získat pouze exempláře G. asimilis z laboratorních kultur T. Walkera a T. Zery; druhá kultura byla odvozena z kolonie T. Walkera. Jedinci z obou kultur byli infikováni stejným kmenem, jehož sekvence pro Gen ftsZ byla identická s kmenem Wolbachia typu rubens. 16S rRNA genu fragment sekvence naznačuje, že kmen v tento druh má transverze v E. coli pozici 380 z guaninu za thymin, který je v E. coli odpovídá první pozici v tetra smyčky GCAA. V kmeni typu“ asimilis “ se smyčka skládá z TAAA. Tato transverze se nenachází v žádné dosud známé sekvenci rRNA Wolbachia 16S.

populace G. pennsylvanicus vykazuje složitější vzorec infekce. Po většinu distribuce, kterou jsme odebrali, G. pennsylvanicus je polymorfní pro typ infekce. Počet obyvatel zařazených do vzorku v Lethbridge, Alberta, Kanada, ukázala přítomnost Wolbachia napětí odlišné od těch, které našel v G. puccini, G. assimilis, G. celé číslo a G. ovisopis. Tento kmen označujeme jako kmen typu“ pennsylvanicus“. Z 39 infikované vzorky odebrané ze středního Illinois, 38 nesl kmen typu pennsylvanicus, zatímco jeden vzorek nesl kmen typu rubens. Lokalita 150 km na jih, Farina, IL, ukázala směs jedinců, kteří byli infikováni buď kmenem typu pennsylvanicus nebo rubens, nebo oběma. Ze dvou vzorků odebraných z Ann Arbor, mě, jeden nesl kmen typu rubens, a druhý byl dvakrát infikován kmeny typu pennsylvanicus – a rubens. Pro obyvatelstvo vzorku v Londýně, Ontario, Kanada, 215 km severovýchodně od Ann Arbor, 19 infikovaných osob, 10 nesl pennsylvanicus-typ, jeden nesl rubens-typ a osm bylo dvojnásob napaden pennsylvanicus – a rubens-kmenů (Obr. 3a). Tento polymorfní vzor pokračuje ve vzorcích G. pennsylvanicus shromážděných z Vermontu a Pensylvánie. Ve Virginii a Severní Karolíně, zjistili jsme pouze jedince, kteří byli infikováni buď kmeny pennsylvanicus – nebo rubens. Populace G. pennsylvanicus v Severní Americe je směs jedinců, kteří jsou infikováni typem rubens nebo pennsylvanicus, stejně jako jednotlivci, kteří jsou dvakrát infikováni jak kmeny, tak jedinci, kteří nejsou infikováni (obr. 3). Naše výsledky zatím ukazují, že v populacích G. pennsylvanicus východní Severní Ameriky, rubens-typ infekce je na vyšší frekvenci na severu než na jihu (Obr. 3a). Dále jsme zjistili, že ve většině lokalit, kde se vyskytují oba kmeny, jsou také přítomni dvojnásobně infikovaní jedinci (obr. 2 A 3a).

Jako výsledek „drive“, spojené s šíření Wolbachia infekce (35), navrhujeme, že genetická struktura G. pennsylvanicus populace jsme vyzkoušely, kromě Lethbridge, Kanada, byly ovlivněny přítomností rubens – a pennsylvanicus-typ Wolbachia kmenů. Proto jsme se odkazují na G. pennsylvanicus vzorcích odebraných v těchto regionech jako Gryllus blízkosti (nr.) pennsylvanicus se odrážejí nejasnost jejich taxonomické zařazení uložené infekce typů nalezené v těchto populacích.

odebrali jsme vzorky G. firmus z Gainesville a biologická stanice Archbold v Lake Placid, FL, a z Fort Fischer, NC. Třicet dva z 35 vzorky odebrané z těchto lokalit byly neinfikované. Tři infikovaní jedinci pocházeli z Gainesville, FL. Bylo zjištěno, že dva nesou Rubensův typ a třetí nesl kmen Wolbachia typu pennsylvanicus (obr. 2 A 3a). Toto zjištění naznačuje, že infekce, z těchto dvou kmenů bakterií se pohybuje do populací G. firmus, a to zejména ve světle skutečnosti, že G. pennsylvanicus není známo, od Gainesville, FL.

Analýza vztahů mezi různými kmeny jsme zkoumali Wolbachia v Gryllus druhů pomocí ftsZ gen znamená, že celé číslo – a rubens-kmenů tvoří monophyletic skupiny a nejsou úzce souvisí s pennsylvanicus-typ napětí, které je bazální pro všechny ostatní skupiny B Wolbachia kmenů známo tak daleko. Kmen Wolbachia hlášený Werrenem et al. (23) V g. pennsylvanicus je typu rubens (obr. 2).

navrhujeme, že infekcí ve výše uvedených členů rodu Gryllus nabídnout vysvětlení pro pozorované páření nekompatibility získané Smith a Cade (17), Cade a Tyshenko (18) a Harrison (19) a poukazují na možnou roli Wolbachia v speciace některých členů tohoto rodu. Obousměrné neslučitelnosti pozorovány mezi G. rubens, a. G. celé číslo, je pravděpodobné, že být výsledkem infekce s dvěma různými kmeny Wolbachia nalezena v těchto dvou druhů. Kompatibilita G. Rubense z Floridy s G. celé číslo z Texasu (17, 18)lze vysvětlit, protože tyto populace nesou bakterie typu rubens. Naše data podporují závěr Smith a Cade (17), že G. rubens, a. G. celé číslo z Texasu, může být stejného druhu, navzdory rozdílům v jejich písních stupně se obvykle používá k odlišení druhů.

Vzhledem k tomu, že G. pennsylvanicus je nakažený s Wolbachia a. G. firmus je obvykle ne, kříže ukazuje, že G. pennsylvanicus samci jsou neslučitelné s G. firmus ženy (19) může být interpretován jako vyplývající z cytoplazmatická nekompatibilita způsobena Wolbachia. Náš výklad je podpořen i mitochondriální vzor pozorovaných u těchto dvou populací, a to, že G. firmus a. G. pennsylvanicus mají odlišné mitochondriální typy, které tyto dvě populace byly identifikovány; nicméně, i když G. pennsylvanicus mtDNA snadno introgresses v populaci G. firmus, naopak nedochází (36). Tento vzor by být dodrženy, pokud G. pennsylvanicus je nakažený s Wolbachia, protože většina jedinců v hybridní zóně by být výsledek potomstva z infikovaných žen, který je v tomto případě by nést G. pennsylvanicus mitochondriální Typ spolu s mateřsky zděděnou infekcí Wolbachia.

jednosměrné nekompatibilita mezi G. ovisopis mužů, které nesou rubens-typ bakterií, a. G. firmus žen (T. Walker, osobní sdělení), také mohou být interpretovány ve světle této infekce. Nedostatek potomků z křížení mezi samci G. pennsylvanicus a G. ovisopis se samicemi G. firmus naznačuje, že tyto dva kmeny mohou způsobit nekompatibilitu. Víme, že G. ovisopis a G. rubens nesou stejný kmen Wolbachia, takže pravděpodobnou příčinou obousměrné nekompatibility pozorované mezi G. Rubensem a G. pennsylvanicus jsou různé kmeny Wolbachia, které mohou skrývat.

Pomocí ftsZ gen, jsme pozorovali 39 bp rozdíly mezi pennsylvanicus – a rubens-kmenů, 41 rozdíly mezi pennsylvanicus – a integer-typ kmenů, a 22 rozdíly mezi rubens – a integer-typ kmenů. Pro srovnání, ve stejném genu segmentu, je tam jen jeden základní změnu mezi obousměrně neslučitelné Wolbachia kmenů nalezených v Drosophila simulans Havaje a D. simulans Riverside (23). Na základě tohoto důkazu stejně, jako na inkompatibility pozorován v páření mezi příslušnými Gryllus druhů, jsme předpovídají, že rubens-, číslo-a pennsylvanicus-kmenů jsou obousměrně kompatibilní.

hybridní zóny mezi G. pennsylvanicus a. G. firmus určený Harrison a Arnold (20) je složitější než druhy–druhy interakce. Některé z lokalit, které jsme vzorkovali podél Blue Ridge a Appalachian mountains, vykazují nerovnoměrné rozložení typů infekcí v populacích g. pennsylvanicus (obr. 3a). Tak, v tomto regionu, možné interakce se mohou vyskytnout mezi populacemi z neinfikovaných G. firmus, G. nr. pennsylvanicus napaden buď rubens – nebo pennsylvanicus-typ Wolbachia a. G. nr pennsylvanicus infikovaných s oběma rubens – a pennsylvanicus-typ Wolbachia kmenů. Infekce Wolbachia u zmíněných druhů Gryllus a konkrétně více typů infekcí nalezených v G.nr. populace pennsylvanicus naznačuje, že v populaci může dojít k omezení toku genů kvůli rozdílům v typu infekce. Reprodukční úspěch jedinců v těchto populacích bude záviset na jejich infekčním profilu i na profilu jedinců, se kterými se páří. Náš koncept toho, co představuje druh v rodu Gryllus, musí být přehodnocen s ohledem na infekce Wolbachia, které mají.

infekce Wolbachií mohou projít populací v důsledku výhody, kterou mají infikované ženy oproti neinfikovaným samicím (35). Vzhledem k tomu, že G. pennsylvanicus a. G. firmus bylo prokázáno, křížit v laboratoři (19) a že existují důkazy pro hybridizaci v oblasti (21), aktuální rozložení G. firmus může být interpretován jako relikt, ze širšího okolí, jehož prostřednictvím zamést infikované populace se stěhoval. Alternativní vysvětlení by mohlo být více infekce míst se stejnou Wolbachia kmen, ale nemáme žádné informace o tom, jak bakterie Wolbachia jsou přenášeny horizontálně napříč druhy nebo četnosti, s jakou byly pořízeny. Proto volíme nejšetrnější vysvětlení, že infekce vznikla na jednom místě a následně se rozšířila. Naše údaje skutečně naznačují, že infekce Wolbachia mají geografickou složku a že Rubensův Typ vznikl na jihu, kde převládá (obr. 3a). Nicméně, v populaci g. nr. pennsylvanicus ve východní Severní Americe, infekce typu rubens je převládající v populacích vzorkovaných na severu. Tyto lokality jsou nejvzdálenějšími body od populací Gryllus rovnoměrně infikovaných kmenem typu rubens a daleko od všech hlášených G. rubens populace (obr. 3 a A b). Navrhujeme, aby se infekce typu rubens pohybovala populací Gryllus, která existovala ve východní Severní Americe před východním pohybem kmene typu pennsylvanicus.

v populacích Gryllus mohou být dvojnásobně infikovaní jedinci výsledkem selekčního tlaku v populaci, ve které existují dva bakteriální kmeny, které jsou obousměrně nekompatibilní (obr. 2 A 3a). Za takových okolností, osob, které jsou dvojnásobně nakažený by měl být vybrán, protože, pokud se obě infekce může přežít v jednom kriket, samice by být kompatibilní s muži nesoucí buď bakteriální kmen. Třetí infekční zatáčku dvojnásob infikovaných osob by pak mohla následovat přes populace, protože dvojnásob infikované ženy mají výhodu oproti jednotlivě infikovaných žen, který by mohl množit pouze úspěšně s muži nakaženi stejným Wolbachia napětí. Více infekce byly hlášeny z různých hmyzích taxonů (37-39), a dvojnásob infikovaných samců se ukázaly být částečně nebo zcela nekompatibilní s jednotlivě infikovaných žen, u jiného hmyzu (37-41). Předpokládáme, že dvojité infekce se mohou vyskytnout v lokalitách, kde se jednotlivé infekce se dvěma obousměrně nekompatibilními kmeny Wolbachie vyskytují ve stejných nebo velmi blízce příbuzných taxonech.

Na obrazovce mírného hmyzích taxonů pomocí PCR se specifickými 16S rRNA primerů, jsme zjistili, že 16% 615 hmyzí taxony, z různých rodin a rozkazy, byly infikovány Wolbachia (R. G. a H. M. R., nepublikované údaje), a podobné infekce sazby byly získány za tropického hmyzu (42). Vzhledem k této frekvenci infekce předpovídáme, že bude zjištěno, že jiné hybridní zóny hmyzu budou alespoň částečně definovány infekcí Wolbachií a cytoplazmatickou nekompatibilitou. Některé rody hmyzu mohou být náchylnější k infekci Wolbachií v důsledku jejich přirozené historie. Speciace v těchto skupinách musí být zkoumána s ohledem na roli, kterou hraje Wolbachia.