Die Rolle von Wolbachia-Bakterien in reproduktiven Inkompatibilitäten und Hybridzonen von Diabrotica-Käfern und Gryllus-Grillen

ERGEBNISSE UND DISKUSSION

Diabrotica ist eine neue Weltgattung von Chrysomelidkäfern, die in ihrer Verbreitung hauptsächlich neotropisch ist und deren Ursprung wahrscheinlich in der Region Zentral- oder tropisches Südamerika (28). Heute umfasst sein Verbreitungsgebiet den größten Teil der Vereinigten Staaten östlich der Rockies und nördlich des 35. Breitengrades, die Bundesstaaten Mexiko nordwestlich von Durango (ohne Baja, CA), südliche Gebiete von Ontario, Kanada, und eine kürzliche Einführung in Osteuropa (29). Die Verbreitung von D. v. zeae umfasst ein Gebiet von Guatemala über Zentralmexiko bis zum Panhandle von Texas und Teilen des südlichen Oklahoma (28). Erweiterte Maisproduktion kann auch die Bewegung von D. v. zeae (D. v. zeae) nach Norden von Mexiko erleichtert haben, auf eine Region des sekundären Kontakts mit D. v hinauslaufend. virgifera in Nordtexas, wo die Unterart hybridisiert (13).Erwachsene von D. v. zeae, die aus Stephenville und Uvalde in Südtexas entnommen wurden, waren nicht mit Wolbachia infiziert, während Erwachsene von D. v. virgifera von 15 Standorten in den Vereinigten Staaten und der kanadischen Verteilung von D. v. virgifera positiv auf Wolbachia getestet wurden, mit Ausnahme von zwei Standorten in Duncan und Willcox, AZ. Einundzwanzig Erwachsene von drei Standorten innerhalb der North Texas Hybrid Zone wurden ebenfalls positiv getestet, darunter fünf Exemplare mit Indexmustern innerhalb des Variationsbereichs von D. v. zeae (J. Krysan persönliche Kommunikation). Sequenzen des FtsZ-Gens von Wolbachia von einzelnen Individuen aus Urbana, IL, Moriarty, NM, und Blacksburg, VA, waren identisch. Darüber hinaus zeigte der Verdau mit DraI des FtsZ-Fragments, das mit (i) allgemeinen B-spezifischen Primern, (ii) ftsZf1 und (iii) ftsZr1 erhalten wurde, dass Populationen von D. v. virgifera von allen Probenorten den gleichen Stamm von Wolbachia tragen. Eine phylogenetische Analyse unter Verwendung des 16S-rRNA-Gens brachte diesen Stamm in eine basale Position mit einer ungelösten Beziehung zu anderen Wolbachia-Stämmen (Ergebnisse nicht gezeigt). Das FtsZ-Gen (23, 30) identifizierte auch die Wolbachia von D. v. virgifera als basalen Stamm und unterscheidet sich von den meisten anderen Stämmen in der A-Gruppe (Abb. 1). Angesichts der Konsistenz der Infektion und des Stammtyps während der gesamten Verbreitung von D. v. virgifera sowie der raschen Ausbreitung dieser Art in Nordamerika schlagen wir vor, dass die Infektion im Südwesten der Vereinigten Staaten oder im Nordwesten Mexikos vor der Osterweiterung von D. v. virgifera in den Vereinigten Staaten und Kanada. Der nicht infizierte D. v. virgifera Populationen im südlichen Arizona können die Überreste der ursprünglichen nicht infizierten Bevölkerung sein oder könnten isolierte Populationen darstellen, die die Infektion verloren haben.

D. v. virgifera und D. v. zeae sind morphologisch sehr ähnlich (13), mit Ausnahme der schwarzen elytralen Makula, die bei D. v. virgifera charakteristisch und auf den Humerus beschränkt ist oder bei D. v. zeae fehlt. Die Unterarten sind nicht ökologisch isoliert, weil sie beide auf Mais gefunden werden; noch sind sie zeitlich isoliert, weil sie den gleichen Diapausenmechanismus haben. Verhaltensstudien weisen nicht auf vorzeitige Reproduktionsbarrieren hin, da beide Unterarten auf das gleiche Sexualpheromon ansprechen und bei Paarungsexperimenten keine Diskriminierung vorgenommen wurde (13). Bei der Kreuzung waren die beiden Unterarten in eine Richtung fruchtbar, d. h. D. v. zeae-Männchen aus Zentralmexiko paarten sich mit D. v. virgifera-Weibchen aus South Dakota, während die gegenseitige Kreuzung nur sehr wenige bis keine lebensfähigen Nachkommen hervorbrachte (14). Um zu testen, ob die unidirektionale Inkompatibilität durch die Wolbachia-Infektion verursacht wird, die in D. v. virgifera, wir haben gegenseitige Kreuze von infizierten und Tetracyclin-behandelten D. v. virgifera. Die Ergebnisse zeigen, dass der Stamm von Wolbachia, der D. v. virgifera infiziert, in der Lage ist, eine schwere zytoplasmatische Inkompatibilität zu induzieren, wobei nur 0,4% von 5627 Eiern schlüpfen, wenn infizierte D. v. virgifera-Männchen mit Tetracyclin-behandelten nicht infizierten D. v. virgifera-Weibchen gekreuzt wurden (Tabelle 1, Kreuz d).

Wir haben auch eine Laborkolonie von D. v. zeae mit Proben aus Stephenville, TX, gegründet und dass D. v. zeae-Weibchen gekreuzt mit D. v. virgifera-Männchen sehr wenige bis gar keine Nachkommen produzieren, während die reziproke Kreuzung zu einer normalen Eibrut führt (Tabelle 1, Kreuze f und h) (14). Als wir die Kreuzungen mit Tetracyclin-behandelten D. v. virgifera-Männchen wiederholten, bestand die Inkompatibilität nicht mehr, und es wurden Eibrutraten beobachtet, die sich nicht signifikant von den Kontrollen unterschieden (Tabelle 1, Kreuz g), was bestätigt, dass die unidirektionale Paarungsinkompatibilität zwischen diesen beiden Unterarten durch das Vorhandensein von Wolbachia in D. v. virgifera verursacht wird.Ähnliche reproduktive Inkompatibilitäten wurden auch zwischen einigen Mitgliedern der Gattung Gryllus in Nordamerika berichtet. Die Gattung Gryllus ist mit Ausnahme Ostasiens und des Pazifiks in den meisten Teilen der Welt verbreitet (31). Basierend auf der Anzahl der Arten ist es möglich, dass die Gattung ihren Ursprung in der Neuen Welt oder in Afrika hat, wo mehrere Gattungen ähnlich wie Gryllus registriert wurden (32). In Nordamerika hat die Gattung Gryllus mehrere eng verwandte Arten, von denen einige allein aufgrund morphologischer Merkmale schwer zu unterscheiden sind. Zu Beginn des Jahrhunderts galt diese Gruppe als eine einzige Art mit einem hohen Grad an Variabilität (33). Nachfolgende Arbeiten, die hauptsächlich Ruflieder verwendeten, diskriminierten einige der Arten (34).

Es wurde gezeigt, dass mehrere Arten der Gattung Gryllus unidirektional oder bidirektional inkompatibel sind. Die unidirektionale Inkompatibilität zwischen G. pennsylvanicus-Männchen und G. firmus-Weibchen im Osten der Vereinigten Staaten (19) spiegelt die von D. v. virgifera und D. v. zeae wider. Wir haben festgestellt, dass mit Ausnahme von G. firmus Exemplare aller von uns untersuchten Gryllus-Arten in der Regel mit Wolbachia infiziert sind, manchmal mit mehr als einem Stamm (Abb. 2 und 3). Die zwischen den verschiedenen Arten dieser Gattung gemeldeten Inkompatibilitäten können durch eine Infektion mit diesem Bakterium erklärt werden. Unsere Studie hat die folgenden Infektionsmuster gezeigt. Populationen von G. integer aus Humboldt County, NV, und Wayne County, UT, sind mit demselben Stamm von Wolbachia-Bakterien infiziert, was wir als „Integer-Typ“ bezeichnen.“ Die in Davis, Kalifornien, beprobte Population war auch mit dem gleichen Typ infiziert, mit Ausnahme einer Person, die den gleichen Stamm von Wolbachia wie in G. rubens beherbergte, den wir als „Rubens-Typ “ bezeichnen.“ Die in Las Cruces, NM, beprobte Population hatte zwei Individuen, die mit dem Rubens-Typ Wolbachia-Stamm infiziert waren, und drei Individuen, die doppelt mit den Rubens- und Integer-Stämmen infiziert waren. Die G. rubens-Populationen in Austin und Dallas, TX, beherbergten ebenfalls den gleichen Bakterienstamm, der auf der Grundlage des 16S-rRNA-Gens und des FtsZ-Gens identisch mit dem in G. rubens aus Lake Placid und Gainesville, FL. Dieser Rubens-Stamm kommt auch in Proben von G. ovisopis aus Gainesville vor. Wir konnten nur Exemplare von G erhalten. assimilis aus den Laborkulturen von T. Walker und T. Zera; Letztere Kultur wurde von T. Walkers Kolonie abgeleitet. Individuen aus beiden Kulturen wurden mit demselben Stamm infiziert, dessen Sequenz für das FtsZ-Gen identisch mit dem Wolbachia-Stamm vom Rubens-Typ war. Die 16S-rRNA-Genfragmentsequenz zeigt an, dass der Stamm in dieser Spezies eine Transversion an E. coli-Position 380 von einem Guanin zu einem Thymin aufweist, was in E. coli der ersten Position in der Tetra-Loop-GCAA entspricht. Im „Assimilis-Typ“ -Stamm besteht die Schleife aus TAAA. Diese Transversion findet sich in keiner anderen bisher bekannten Wolbachia 16S rRNA-Sequenz.

Die Population von G. pennsylvanicus zeigt ein komplexeres Infektionsmuster. Während des größten Teils der Verteilung, die wir abgetastet haben, ist G. pennsylvanicus für den Infektionstyp polymorph. Eine in Lethbridge, Alberta, Kanada, beprobte Population zeigte das Vorhandensein eines Wolbachia-Stammes, der sich von denen in G. rubens, G. assimilis, G. integer und G. ovisopis unterschied. Wir bezeichnen diesen Stamm als den „Pennsylvanicus-Typ“ -Stamm. Von 39 infizierten Proben, die aus Zentral-Illinois entnommen wurden, beherbergten 38 den Pennsylvanicus-Stamm, während ein Exemplar den Rubens-Stamm trug. Eine Lokalität 150 km südlich, Farina, ILLINOIS, zeigte eine Mischung von Individuen, die entweder mit dem Pennsylvanicus- oder Rubens-Stamm oder mit beiden infiziert waren. Von zwei Proben, die aus Ann Arbor, MI, entnommen wurden, trug einer den Rubens-Stamm, und der andere war doppelt mit den Pennsylvanicus- und Rubens-Stämmen infiziert. Für die in London, Ontario, Kanada, 215 km nordöstlich von Ann Arbor, beprobte Population von 19 infizierten Personen trugen 10 den Pennsylvanicus-Typ, einer den Rubens-Typ und acht waren doppelt mit den Pennsylvanicus- und Rubens-Stämmen infiziert (Abb. 3a). Dieses polymorphe Muster setzt sich in Exemplaren von G fort. pennsylvanicus aus Vermont und Pennsylvania gesammelt. In Virginia und North Carolina entdeckten wir nur Individuen, die entweder mit Pennsylvanicus- oder Rubens-Stämmen infiziert waren. Die Bevölkerung von G. pennsylvanicus in Nordamerika ist eine Mischung aus Individuen, die mit dem Rubens-Typ oder Pennsylvanicus-Typ infiziert sind, sowie Individuen, die doppelt mit beiden Stämmen infiziert sind, und Individuen, die nicht infiziert sind (Abb. 3). Unsere bisherigen Ergebnisse zeigen, dass in Populationen von G. pennsylvanicus im Osten Nordamerikas die Rubens-Infektion im Norden häufiger auftritt als im Süden (Abb. 3a). Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass an den meisten Orten, an denen beide Stämme auftreten, auch doppelt infizierte Individuen vorhanden sind (Abb. 2 und 3a).Als Ergebnis des „Antriebs“, der mit der Ausbreitung einer Wolbachia-Infektion verbunden ist (35), schlagen wir vor, dass die genetische Struktur von G. pennsylvanicus Populationen, die wir beprobt haben, mit Ausnahme von Lethbridge, Kanada, durch die Anwesenheit der Rubens- und pennsylvanicus-Typ Wolbachia Stämme betroffen waren. Daher werden wir die in diesen Regionen gesammelten G. pennsylvanicus-Proben als Gryllus near (nr.) pennsylvanicus bezeichnen, um die Mehrdeutigkeit ihres taxonomischen Status widerzuspiegeln, die durch die in diesen Populationen vorkommenden Infektionstypen bedingt ist.

Wir haben G abgetastet. firmus von Gainesville und der Archbold Biological Station in Lake Placid, FL, und von Fort Fischer, NC. Zweiunddreißig der 35 Proben aus diesen Orten waren nicht infiziert. Die drei infizierten Personen kamen aus Gainesville, FL. Es wurde festgestellt, dass zwei den Rubens-Typ tragen, und der dritte trug den Pennsylvanicus-Typ Wolbachia-Stamm (Abb. 2 und 3a). Dieser Befund legt nahe, dass die Infektion dieser beiden Bakterienstämme in die Populationen von G. firmus übergeht, insbesondere angesichts der Tatsache, dass G. pennsylvanicus aus Gainesville, FL, nicht bekannt ist.

Die Analyse der Beziehungen zwischen den verschiedenen von uns untersuchten Stämmen von Wolbachia in der Gryllus-Spezies unter Verwendung des FtsZ-Gens zeigt, dass die Stämme vom Integer- und Rubens-Typ eine monophyletische Gruppe bilden und nicht eng mit dem Stamm vom Pennsylvanicus-Typ verwandt sind, der allen anderen bisher bekannten Wolbachia-Stämmen der B-Gruppe ähnlich ist. Der von Werren et al. (23) in G. pennsylvanicus ist vom Rubens-Typ (Abb. 2).

Wir schlagen vor, dass die Infektionen bei den oben genannten Mitgliedern der Gattung Gryllus eine Erklärung für die beobachteten Paarungsinkompatibilitäten von Smith und Cade (17), Cade und Tyshenko (18) und Harrison (19) liefern und auf eine mögliche Rolle von Wolbachia bei der Artbildung einiger Mitglieder dieser Gattung hinweisen. Die beobachtete bidirektionale Inkompatibilität zwischen G. rubens und G. integer ist wahrscheinlich das Ergebnis einer Infektion mit den beiden verschiedenen Stämmen von Wolbachia, die bei diesen beiden Arten vorkommen. Die Kompatibilität von G. rubens aus Florida mit G. ergebnisse aus Texas (17, 18) können erklärt werden, weil diese Populationen die Rubens-Bakterien tragen. Unsere Daten unterstützen die Schlussfolgerung von Smith und Cade (17), dass G. rubens und G. integer aus Texas die gleiche Art sein können, trotz Unterschieden in ihren Gesängen von einem Grad, der normalerweise zur Unterscheidung von Arten verwendet wird.

Da G. pennsylvanicus mit Wolbachia infiziert ist und G. firmus normalerweise nicht, können Kreuze, die zeigen, dass G. pennsylvanicus-Männchen mit G. firmus-Weibchen unvereinbar sind (19), als Ergebnis einer durch Wolbachia verursachten zytoplasmatischen Inkompatibilität interpretiert werden. Unsere Interpretation wird weiter durch das in diesen beiden Populationen beobachtete mitochondriale Muster untermauert, nämlich dass G. firmus und G. pennsylvanicus unterschiedliche mitochondriale Typen haben, anhand derer diese beiden Populationen identifiziert wurden; Obwohl G. pennsylvanicus mtDNA jedoch leicht in die Population von G. firmus eindringt, tritt das Gegenteil nicht auf (36). Dieses Muster würde beobachtet werden, wenn G. pennsylvanicus mit Wolbachia infiziert ist, da die Mehrheit der Individuen in der Hybridzone das Ergebnis von Nachkommen infizierter Weibchen wäre, die in diesem Fall das G tragen würden. pennsylvanicus mitochondrialer Typ zusammen mit der maternal vererbten Wolbachia-Infektion.

Die unidirektionale Inkompatibilität zwischen G. ovisopis-Männchen, die die Rubens-Bakterien tragen, und G. firmus-Weibchen (T. Walker, personal communication) kann auch im Lichte dieser Infektion interpretiert werden. Das Fehlen von Nachkommen aus Kreuzungen zwischen Männchen von G. pennsylvanicus und G. ovisopis mit Weibchen von G. firmus deutet darauf hin, dass diese beiden Stämme Inkompatibilität verursachen könnten. Wir wissen, dass G. ovisopis und G. rubens tragen den gleichen Wolbachia-Stamm, so dass die wahrscheinliche Ursache für die bidirektionale Inkompatibilität, die zwischen G. rubens und G. pennsylvanicus beobachtet wird, die verschiedenen Wolbachia-Stämme sind, die sie beherbergen können.Mit dem FtsZ-Gen beobachteten wir 39 bp-Unterschiede zwischen den Pennsylvanicus- und Rubens-Stämmen, 41 Unterschiede zwischen den Pennsylvanicus- und Integer-Stämmen und 22 Unterschiede zwischen den Rubens- und Integer-Stämmen. Zum Vergleich gibt es im selben Gensegment nur einen Basenwechsel zwischen den bidirektional inkompatiblen Wolbachia-Stämmen, die in Drosophila simulans Hawaii und D. simulans Riverside gefunden wurden (23). Basierend auf diesen Erkenntnissen sowie auf den Inkompatibilitäten, die in den Paarungen zwischen den jeweiligen Gryllus-Arten beobachtet wurden, sagen wir voraus, dass die Stämme vom Rubens-, Integer- und Pennsylvanicus-Typ bidirektional inkompatibel sind.

Die von Harrison und Arnold (20) bezeichnete Hybridzone zwischen G. pennsylvanicus und G. firmus ist komplexer als eine Art–Art-Interaktion. Einige der Standorte, die wir entlang des Blue Ridge und der Appalachen untersucht haben, zeigen eine lückenhafte Verteilung der Infektionstypen innerhalb der G. pennsylvanicus-Populationen (Abb. 3a). Somit können in dieser Region mögliche Wechselwirkungen zwischen Populationen von nicht infizierten G. firmus, G. nr. pennsylvanicus, die entweder mit Wolbachia vom Rubens- oder pennsylvanicus-Typ infiziert sind, und G. nr pennsylvanicus, die sowohl mit Wolbachia-Stämmen vom Rubens- als auch vom pennsylvanicus-Typ infiziert sind, auftreten. Die Wolbachia-Infektion bei den genannten Gryllus-Arten und speziell die in der G. Nr. pennsylvanicus-Populationen weisen darauf hin, dass eine Einschränkung des Genflusses innerhalb einer Population aufgrund von Unterschieden im Infektionstyp auftreten kann. Der Fortpflanzungserfolg von Individuen in diesen Populationen hängt sowohl von ihrem Infektionsprofil als auch von dem der Individuen ab, mit denen sie sich paaren. Unser Konzept, was eine Art der Gattung Gryllus ausmacht, muss angesichts der Wolbachia-Infektionen, die sie beherbergen, neu bewertet werden.Infektionen mit Wolbachia können sich aufgrund des Vorteils, den infizierte Frauen gegenüber nicht infizierten Frauen haben, durch eine Population ausbreiten (35). Angesichts der Tatsache, dass G. pennsylvanicus und G. firmus haben gezeigt, dass sie im Labor hybridisieren (19) und dass es Hinweise auf eine Hybridisierung im Feld gibt (21), die aktuelle Verbreitung von G. firmus kann als Relikt interpretiert werden, aus einem größeren Gebiet, durch das sich ein Teil einer infizierten Population bewegte. Eine alternative Erklärung könnten mehrere Infektionsstellen mit demselben Wolbachia-Stamm sein, aber wir haben keine Informationen darüber, wie Wolbachia-Bakterien horizontal über Arten übertragen werden oder mit welcher Häufigkeit sie erworben werden. Daher wählen wir die sparsamste Erklärung, dass die Infektion an einem Ort entstand und sich anschließend ausbreitete. Tatsächlich deuten unsere Daten darauf hin, dass die Wolbachia-Infektionen eine geografische Komponente haben und dass der Rubens-Typ im Süden entstand, wo er vorherrscht (Abb. 3a). pennsylvanicus Population des östlichen Nordamerikas ist die Rubens-Typ-Infektion in Populationen im Norden weit verbreitet. Diese Lokalitäten sind am weitesten von den Populationen von Gryllus entfernt, die einheitlich mit dem Rubens-Stamm infiziert sind, und weit entfernt von allen gemeldeten G. rubens-Populationen (Abb. 3a und b). Wir schlagen vor, dass sich die Infektion vom Rubens-Typ durch die Population von Gryllus bewegte, die im östlichen Nordamerika vor der Ostbewegung des Pennsylvanicus-Stammes existierte.

In den Gryllus-Populationen können doppelt infizierte Individuen das Ergebnis von Selektionsdruck in einer Population sein, in der zwei Bakterienstämme existieren, die bidirektional inkompatibel sind (Abb. 2 und 3a). In einem solchen Fall würden Individuen, die doppelt infiziert sind, ausgewählt, weil, wenn beide Infektionen in einer Grille überleben können, die Weibchen mit Männchen kompatibel wären, die einen der Bakterienstämme tragen. Ein dritter infektiöser Sweep von doppelt infizierten Individuen könnte dann durch die Population erfolgen, da doppelt infizierte Weibchen einen Vorteil gegenüber einzeln infizierten Weibchen haben, die sich nur mit Männchen, die mit demselben Wolbachia-Stamm infiziert sind, erfolgreich vermehren können. Mehrfachinfektionen wurden von einer Vielzahl von Insektentaxa berichtet (37-39), und es wurde gezeigt, dass doppelt infizierte Männchen teilweise oder vollständig inkompatibel mit einzeln infizierten Weibchen bei anderen Insekten sind (37-41). Wir sagen voraus, dass Doppelinfektionen an Orten auftreten können, an denen Einzelinfektionen mit zwei bidirektional inkompatiblen Stämmen von Wolbachia in denselben oder sehr eng verwandten Taxa auftreten.

In einem Screening gemäßigter Insektentaxa unter Verwendung von PCR mit spezifischen 16S-rRNA-Primern fanden wir heraus, dass 16% von 615 Insektentaxa aus einer Vielzahl von Familien und Ordnungen mit Wolbachia infiziert waren (R.G. und H.M.R., unveröffentlichte Daten), und ähnliche Infektionsraten wurden für tropische Insekten erhalten (42). Angesichts dieser Infektionshäufigkeit sagen wir voraus, dass andere Insektenhybridzonen zumindest teilweise durch Wolbachia-Infektion und zytoplasmatische Inkompatibilität definiert werden. Einige Gattungen von Insekten können aufgrund ihrer Naturgeschichte anfälliger für Infektionen mit Wolbachia sein. Die Speziation innerhalb dieser Gruppen muss im Hinblick auf die Rolle von Wolbachia untersucht werden.