Wolbachia-bakteerin rooli Diabrotica-kovakuoriaisten ja Gryllus-sirkkojen lisääntymiskyvyttömyys-ja hybridivyöhykkeissä

tulokset ja keskustelu

Diabrotica on uuden maailman krysomelidikuoriaisten suku, jonka levinneisyys on pääasiassa Neotrooppinen ja jonka alkuperä on todennäköisesti keski-tai trooppisessa Etelä-Amerikassa (28). Nykyään sen levinneisyysalue käsittää suurimman osan Yhdysvaltoja Kalliovuorten itäpuolella ja 35. leveyspiirin pohjoispuolella, Meksikon osavaltiot Durangon luoteispuolella (pois lukien Baja, CA), Kanadan Ontarion eteläosat sekä äskettäin levinneen Itä-Euroopan alueen (29). D. v. zeaen levinneisyysalue käsittää alueen Guatemalasta Meksikon keskiosista Texasin panhandleen ja osia Etelä-Oklahomasta (28. Laajennettu maissintuotanto on myös voinut helpottaa D. v. zeae-organismin siirtymistä Meksikosta pohjoiseen, mikä on johtanut D. v.: n toissijaiseen kosketukseen. virgifera Pohjois-Texasissa, jossa alalaji risteytyy (13.

D. V. zeaen Aikuiset, joista otettiin näyte Stephenvillestä ja uvaldesta Etelä-Texasista, eivät saaneet Wolbachia-tartuntaa, kun taas D. V. virgiferan Aikuiset 15: stä paikasta Yhdysvalloissa ja Kanadassa D. V. virgiferan levinneisyysalueelta testattiin Wolbachia-positiiviseksi lukuun ottamatta kahta paikkaa Duncanissa ja Willcoxissa, AZ: ssä. Myös kaksikymmentäyksi aikuista kolmelta alueelta Pohjois-Texasin hybridivyöhykkeeltä testattiin positiiviseksi, mukaan lukien viisi yksilöä, joiden indeksikuviot olivat D. v. zeae: n vaihteluvälillä (J. Krysan henkilökohtainen viestintä). Wolbachian ftsZ-geenin sekvenssit Urbanan, IL: n, Moriartyn, NM: n ja Blacksburgin, VA: n yksittäisistä yksilöistä olivat identtiset. Lisäksi ftsz-fragmentin drai: lla tehty digestio, joka on saatu I) yleisillä B-spesifisillä alukkeilla, ii) ftszf1: llä ja iii) ftsZr1: llä, osoitti, että D. v. virgifera-populaatioissa kaikissa tutkittavissa paikoissa esiintyy samaa Wolbachia-kantaa. Fylogeneettisessä analyysissä, jossa käytettiin 16S rRNA-geeniä, tämä kanta asetettiin tyviasentoon, jonka suhde muihin Wolbachia-kantoihin oli ratkaisematon (tuloksia ei näy). Ftsz-geeni (23, 30) tunnisti myös D. v. virgiferan Wolbachia basaalikannaksi ja erotukseksi useimmista muista A-ryhmän kannoista (Fig. 1). Ottaen huomioon infektion ja kantatyypin yhdenmukaisuus koko D. v. virgiferan levinneisyysalueella sekä tämän lajin nopea leviäminen Pohjois-Amerikassa, ehdotamme, että tartunta tapahtui Lounais-Yhdysvalloissa tai Luoteis-Meksikossa ennen D. V. virgiferan Itäistä laajenemista Yhdysvalloissa ja Kanadassa. Tartuttamaton dv. virgifera-populaatiot Etelä-Arizonassa voivat olla jäänteitä alkuperäisestä tartuttamattomasta populaatiosta tai ne voivat edustaa yksittäisiä populaatioita, jotka ovat menettäneet tartunnan.

D. V. virgifera ja D. v. zeae ovat morfologisesti hyvin samankaltaisia (13), lukuun ottamatta mustaa elytraalista makulaatiota, joka on erottuva D. v. virgiferalla ja rajoittuu olkaluuhun tai puuttuu D. v. zeae: stä. Alalajeja ei ole eristetty ekologisesti, koska niitä molempia tavataan maissilla, eikä myöskään ajallisesti, koska niillä on sama diapaussimekanismi. Käyttäytymistutkimukset eivät osoita esiasteisia esteitä lisääntymiselle, koska molemmat alalajit reagoivat samaa sukupuolta olevaan feromoniin eikä paritteluvalintakokeissa tehty syrjintää (13). Risteytettäessä kaksi alalajia olivat hedelmällisiä yhteen suuntaan, eli Keski-Meksikon D. v. zeae-urokset pariutuivat Etelä-Dakotan D. V. virgifera-naaraiden kanssa, kun taas vastavuoroinen risteytyminen tuotti hyvin vähän tai ei lainkaan elinkelpoisia jälkeläisiä (14). Testataan, johtuuko yksisuuntainen yhteensopimattomuus dv: ssä todetusta Wolbachia-infektiosta. virgifera, teimme risteytyksiä tartunnan saaneesta ja tetrasykliinillä hoidetusta Virgiferasta. Tulokset osoittavat, että D. v. virgifera-bakteeria infektoiva Wolbachia-kanta kykenee aiheuttamaan vakavan sytoplasman yhteensopimattomuuden, sillä vain 0, 4% 5627 munasta kuoriutui, kun tartunnan saaneet D. v. virgifera-urokset risteytettiin tetrasykliinillä hoidettujen D. v. virgifera-naaraiden kanssa (Taulukko 1, risteytetty d).

perustimme myös D. v. zeae: n laboratorioyhdyskunnan Stephenville, TX: stä saaduilla yksilöillä, ja vahvisti, että D. V. zeae-naaraat risteytyivät D. V. virgifera-urosten kanssa ja tuottavat hyvin vähän tai ei lainkaan jälkeläisiä, kun taas vastavuoroisen risteytyksen tuloksena syntyy normaali munasolun luukku (taulukko 1, risteytykset F ja h) (14). Kun toistimme risteytykset tetrasykliinillä hoidetuilla D. v. virgifera-uroksilla, yhteensopimattomuutta ei enää ollut, ja havaittiin munien kuoriutumisnopeuksia, jotka eivät poikenneet merkittävästi kontrolleista (Taulukko 1, cross g), vahvistaen, että näiden kahden alalajin yksisuuntainen parittelun yhteensopimattomuus johtuu Wolbachian esiintymisestä D. V. virgiferassa.

samanlaisia lisääntymis-yhteensopimattomuuksia on raportoitu myös joidenkin Gryllus-suvun jäsenten välillä Pohjois-Amerikassa. Suku Gryllus on levinnyt lähes koko maailmaan lukuun ottamatta Itä-Aasiaa ja Tyynimerta (31). Lajimäärien perusteella on mahdollista, että suku on peräisin uudesta maailmasta tai Afrikasta, jossa on todettu useita Gryllusta muistuttavia sukuja (32). Gryllus-sukuun kuuluu Pohjois-Amerikassa useita läheistä sukua olevia lajeja, joista osaa on vaikea erottaa pelkästään morfologisten merkkien perusteella. Vuosisadan alussa tätä ryhmää pidettiin yhtenä lajina, jonka vaihtelu oli suurta (33). Myöhemmät työt, joissa käytettiin pääasiassa kutsulauluja, syrjivät joitakin lajeja (34).

useat Gryllus-suvun lajit on osoitettu yksisuuntaisiksi tai kaksisuuntaisiksi. G. pennsylvanicus-urosten ja G. firmus-naaraiden yksisuuntainen yhteensopimattomuus Itä-Yhdysvalloissa (19) kuvastaa D. V. virgiferan ja D. v. zeaen välistä yhteensopimattomuutta. Olemme havainneet, että G. firmusta lukuun ottamatta kaikkien Tutkimiemme Gryllus-lajien yksilöt ovat yleensä Wolbachia-tartunnan saaneita, joskus useammalla kuin yhdellä kannalla (viikuna. 2 ja 3). Tämän suvun eri lajien välillä raportoidut yhteensopimattomuudet saattavat selittyä tämän bakteerin aiheuttamalla infektiolla. Tutkimuksemme on osoittanut seuraavat tartuntatavat. Populaatiot G. kokonaisluku näyte Humboldt County, NV, ja Wayne County, UT, ovat tartunnan samaa kantaa Wolbachia bakteerit, jota kutsumme ”kokonaisluku tyyppi.”Davisin, CA: n, populaatiossa oli myös kokonaislukutyypin tartunta, lukuun ottamatta yhtä yksilöä, joka kantoi samaa Wolbachia-kantaa kuin G. rubensissa, jota kutsumme ”rubens-tyypiksi.”Populaatiossa, josta otettiin näyte las Crucesissa, NM: ssä, oli kaksi yksilöä, jotka olivat saaneet tartunnan rubens-tyypin Wolbachia – kannasta, ja kolme yksilöä, jotka olivat kaksinkertaisesti saaneet tartunnan rubens-ja integer-tyypin kannoista. G. integer populaatiot Austin ja Dallas, TX, myös kantoi samaa bakteerikantaa, joka, perusteella 16s rRNA geeni ja ftsZ geeni, näyttää samalta kuin löytyy G. rubens Lake Placid ja Gainesville, FL. Tätä rubens-tyyppistä kantaa esiintyy myös G. ovisopis-lajin näytteissä, joista on otettu näytteitä Gainesvillestä. Saimme vain näytteitä G: stä. assimilis on peräisin T. Walkerin ja T. Zeran laboratorioviljelmistä; jälkimmäinen kulttuuri on peräisin T. Walkerin siirtokunnasta. Molempien kulttuurien yksilöt saivat tartunnan samasta kannasta, jonka ftsz-geenin sekvenssi oli identtinen rubens-tyypin Wolbachia-kannan kanssa. 16S rRNA-geenin fragmentointijakso osoittaa, että tämän lajin kannalla on transversio E. coli-asemassa 380 guaniinista tymiiniksi, joka E. coli-bakteerissa vastaa tetra-silmukan ensimmäistä paikkaa GCAA: ssa. ”Assimilis-tyypin” kannassa silmukka koostuu taa: sta. Tätä transversiota ei löydy mistään muusta tähän mennessä tunnetusta Wolbachia 16s rRNA-sekvenssistä.

G. pennsylvanicus-bakteerin populaatiossa on monimutkaisempi infektiotyyppi. Suurimmassa osassa levinneisyysaluettamme G. pennsylvanicus on infektiotyypiltään polymorfinen. Lethbridgessä Albertassa Kanadassa otetussa populaatiossa havaittiin Wolbachia-kanta, joka poikkeaa G. Rubensin, G. assimilisin, G. kokonaisluvun ja G. ovisopisin kannoista. Tätä kantaa kutsutaan” pennsylvanicus-tyyppiseksi ” kannaksi. Keski-Illinoisista otetuista 39 tartunnan saaneesta näytteestä 38 kantoi pennsylvanvanicus-tyyppistä kantaa, kun taas yhdessä näytteessä oli rubens-tyyppistä kantaa. 150 kilometriä etelämpänä sijainneella FARINALLA IL: ssä havaittiin sekoitus yksilöitä, jotka olivat saaneet tartunnan joko pennsylvanvanicus-tai rubens-tyyppisestä kannasta tai molemmista. Kahdesta Ann Arborista otetusta näytteestä, MI, toisessa oli rubens-tyyppinen kanta ja toisessa oli kaksinkertaisesti pennsylvanvanicus – ja rubens-tyyppinen kanta. Lontoossa, Ontariossa, Kanadassa, 215 km Ann Arborista koilliseen otetusta populaatiosta 19 tartunnan saanutta yksilöä, joista 10 kantoi pennsylvanicus-tyyppiä, yksi kantoi rubens-tyyppiä ja kahdeksan kantoi kaksinkertaisesti pennsylvanicus-ja rubens-tyypin kantoja (Kuva. 3 A). Tämä polymorfinen kuvio jatkuu Vermontista ja Pennsylvaniasta kerätyissä G. pennsylvanicus-lajin yksilöissä. Virginiassa ja Pohjois – Carolinassa havaittiin vain yksilöitä, jotka olivat saaneet tartunnan joko pennsylvanicus-tai rubens-tyyppisestä kannasta. G. pennsylvanicus Pohjois-Amerikassa on sekoitus yksilöitä, jotka ovat tartunnan rubens-tyyppi tai pennsylvanicus-tyyppi sekä yksilöitä, jotka ovat kaksinkertaisesti tartunnan sekä kantoja ja yksilöitä, jotka eivät ole tartunnan (Kuva. 3). Tähänastiset tuloksemme osoittavat, että itäisen Pohjois-Amerikan G. pennsylvanicus-lajin populaatioissa rubens-tyyppinen infektio on yleisempi pohjoisessa kuin etelässä (Kuva. 3 A). Lisäksi olemme havainneet, että useimmilla paikkakunnilla, joilla esiintyy molempia kantoja, esiintyy myös kaksin verroin tartunnan saaneita yksilöitä (viikunoita. 2 ja 3a).

Wolbachia – infektion (35) leviämiseen liittyvän ”ajamisen” seurauksena ehdotamme, että rubens-ja pennsylvanicus-tyyppiset Wolbachia-kannat ovat vaikuttaneet G. pennsylvanicus-populaatioiden geneettiseen rakenteeseen, joita olemme testanneet Lethbridgeä lukuun ottamatta Kanadassa. Siksi käytämme näiltä alueilta kerättyjä G. pennsylvanicus-näytteitä nimellä gryllus near (nr.) pennsylvanicus heijastaaksemme näiden populaatioiden tartuntatyyppien aiheuttamaa epäselvyyttä niiden taksonomisesta asemasta.

olemme ottaneet näytteitä G. firmus Gainesvillestä ja Archboldin biologiselta asemalta Lake Placidista, FL, ja Fort Fischeristä, NC. Näiltä paikkakunnilta otetuista 35 näytteestä 32: ssa ei ollut tartuntaa. Kolme tartunnan saanutta tulivat Gainesvillestä, FL. Kahden havaittiin kantavan rubens-tyyppiä ja kolmannen kantavan pennsylvanvanicus-tyyppistä Wolbachia-kantaa (viikuna. 2 ja 3a). Tämä havainto viittaa siihen, että näiden kahden bakteerikannan infektio on siirtymässä G. firmus-bakteerin populaatioihin, varsinkin kun otetaan huomioon, että G. pennsylvanicusta ei tunneta Gainesvillestä, FL.

Gryllus – lajiin kuuluvien Wolbachia-kantojen välisten suhteiden analyysi ftsz-geenillä osoittaa, että kokonaisluku-ja rubens-tyyppiset kannat muodostavat monofyleettisen ryhmän eivätkä ole läheistä sukua pennsylvanicus-tyypin kannalle, joka on basaalinen kaikille muille tähän mennessä tunnetuille B-ryhmän Wolbachia-kannoille. Kanta Wolbachia raportoitu Werren et al. (23) G. pennsylvanicus on rubens-tyyppiä (Kuva. 2).

ehdotamme, että edellä mainittujen gryllus-suvun jäsenten infektiot tarjoavat selityksen Smithin ja Caden (17), Caden ja Tyshenkon (18) ja Harrisonin (19) havaituille parittelun yhteensopimattomuuksille ja viittaavat Wolbachian mahdolliseen rooliin joidenkin tämän suvun jäsenten lajiutumisessa. G. Rubensin ja G. integerin välillä havaittu kaksisuuntainen yhteensopimattomuus on todennäköisesti seurausta Wolbachian kahdesta eri kannasta, jotka on löydetty näistä kahdesta lajista. Floridalaisen G. Rubensin Yhteensopivuus g: n kanssa. kokonaisluku Texasista (17, 18) voidaan selittää, koska nämä populaatiot kantavat rubens-tyyppistä bakteeria. Tietomme tukevat Smithin ja Caden (17) päätelmää, että teksasilaiset G. rubens ja G. integer voivat olla samaa lajia, vaikka niiden lauluissa on eroja, joita yleensä käytetään lajien erottamiseen.

koska G. pennsylvanicuksella on Wolbachia-infektio ja G. firmuksella ei yleensä ole, risteytykset, jotka osoittavat, että G. pennsylvanicus-urokset ovat yhteensopimattomia G. firmus-naaraiden kanssa (19), voidaan tulkita johtuvan Wolbakian aiheuttamasta sytoplasmaan yhteensopimattomuudesta. Tulkintaamme tukee myös näissä kahdessa populaatiossa havaittu mitokondriotyyppi, nimittäin se, että G. firmus-ja G. pennsylvanicus-populaatioilla on erilliset mitokondriotyypit, joiden perusteella nämä kaksi populaatiota on tunnistettu; vaikka G. pennsylvanicus mtDNA helposti etenee G. firmus-populaatiossa, päinvastaista ei tapahdu (36). Tämä kuvio olisi havaittu, jos G. pennsylvanicus on tartunnan Wolbachia, koska suurin osa yksilöiden hybridivyöhykkeellä olisi seurausta jälkeläisiä tartunnan naaraat, joka tässä tapauksessa kantaisi G. pennsylvanicus mitokondriotyyppi yhdessä maternaalisesti periytyvän Wolbachia-infektion kanssa.

Rubens-bakteeria kantavien G. ovisopis-urosten ja G. firmus-naaraiden (T. Walker, personal communication) yksisuuntainen yhteensopimattomuus voidaan myös tulkita tämän infektion valossa. Jälkeläisten puuttuminen G. pennsylvanicus-ja G. ovisopis-koiraiden ja G. firmus-naaraiden välisistä risteytyksistä osoittaa, että nämä kaksi kantaa saattavat aiheuttaa yhteensopimattomuuden. Tiedämme, että G. ovisopis ja G. rubeneilla on sama Wolbachia-kanta, joten todennäköinen syy G. Rubensin ja G. pennsylvanicuksen välillä havaittuun kaksisuuntaiseen yhteensopimattomuuteen ovat erilaiset Wolbachia-kannat, joita niillä voi olla.

Ftsz – geenin avulla havaitsimme 39 bp-eroa pennsylvanicus – ja rubens-tyyppisten kantojen välillä, 41 eroa pennsylvanicus – ja integer-tyyppisten kantojen välillä ja 22 eroa rubens-ja integer-tyyppisten kantojen välillä. Vertailun vuoksi, samassa geenisegmentissä on vain yksi emäsmuutos Drosophila simulans Hawaii-ja D. simulans Riverside-bakteereista (23) löydettyjen kaksisuuntaisesti yhteensopimattomien Wolbachia-kantojen välillä. Tämän todistusaineiston sekä Gryllus-lajien parittelussa havaittujen yhteensopimattomuuksien perusteella ennustamme, että rubens -, integer-ja pennsylvanvanicus-tyyppiset kannat ovat kaksisuuntaisesti yhteensopimattomia.

Harrisonin ja Arnoldin nimeämä G. pennsylvanicuksen ja G. Firmuksen välinen hybridivyöhyke (20) on monimutkaisempi kuin lajien välinen vuorovaikutus. Jotkut kohteet, että otimme pitkin Blue Ridge ja Appalakkien vuoristossa osoittavat hajanainen jakautuminen infektiotyypit sisällä G. pennsylvanicus populaatiot (Kuva. 3 A). Tällä alueella voi siis esiintyä interaktioita sellaisten populaatioiden välillä, jotka eivät ole saaneet tartuntaa G. firmus, G. nr. pennsylvanicus, joilla on joko rubens – tai pennsylvanicus-tyyppinen Wolbachia, ja G. nr pennsylvanicus, joilla on sekä rubens – että pennsylvanicus-tyyppinen Wolbachia-kanta. Wolbachia-infektio mainitussa Gryllus-lajissa ja erityisesti G. nr: ssä tavattavat moninaiset infektiotyypit. pennsylvanvanicus-populaation mukaan geenivirran rajoittaminen voi tapahtua populaation sisällä infektiotyyppien erojen vuoksi. Yksilöiden lisääntymismenestys näissä populaatioissa riippuu niiden infektioprofiilista sekä yksilöiden, joiden kanssa ne parittelevat. Meidän käsitystämme Gryllus-suvun lajista on arvioitava uudelleen niiden kantamien Wolbachia-tartuntojen valossa.

Wolbachia-tartunnat voivat levitä populaation läpi, koska tartunnan saaneilla naisilla on etulyöntiasema tartuttamattomiin naaraisiin verrattuna (35). Ottaen huomioon, että G. pennsylvanvanicuksen ja G. Firmuksen on osoitettu hybridisoituvan laboratoriossa (19) ja että on olemassa todisteita hybridisoitumisesta alalla (21), G. Firmuksen nykyinen levinneisyys voidaan tulkita reliktiksi laajemmalta alueelta, jonka läpi tartunnan saaneen populaation pyyhkäisy siirtyi. Vaihtoehtoinen selitys voisi olla useita tartuntapaikkoja, joissa on sama Wolbachia-kanta, mutta meillä ei ole tietoa siitä, miten Wolbachia-bakteerit leviävät vaakasuoraan eri lajien välillä tai kuinka usein niitä saadaan. Siksi valitsemme kaikkein parsimonious selitys, että infektio sai alkunsa yhdessä paikassa ja myöhemmin levinnyt. Todellakin, meidän tiedot viittaavat siihen, että Wolbachia infektioita on maantieteellinen komponentti ja että rubens-tyyppi peräisin Etelä, jossa se vallitseva (Kuva. 3 A). Itäisen Pohjois-Amerikan G. nr. pennsylvanicus-populaatiossa rubens-tyyppinen infektio on kuitenkin yleinen pohjoisessa otetuissa populaatioissa. Nämä paikkakunnat ovat kauimpana Grylluksen populaatioista, joissa esiintyy tasaisesti rubens-tyyppistä kantaa, ja kaukana mistään raportoidusta G: stä. rubens-populaatiot (Kuva. 3 A ja b). Ehdotamme, että rubens-tyyppinen tartunta liikkui Pohjois-Amerikan itäosissa eläneessä gryllus-populaatiossa ennen pennsylvanicus-tyypin kannan siirtymistä itään.

Gryllus-populaatioissa tuplasti infektoituneet yksilöt voivat olla valintapaineen tulosta populaatiossa, jossa esiintyy kaksi bakteerikantaa, jotka ovat kaksisuuntaisesti yhteensopimattomia (viikunat. 2 ja 3a). Tällaisessa tilanteessa, yksilöt, jotka ovat kaksinkertaisesti tartunnan olisi valittu, koska, jos molemmat infektiot voivat selviytyä yhdessä Sirkka, naaraat olisi yhteensopiva urokset kuljettaa joko bakteerikantaa. Tämän jälkeen populaation läpi voisi kulkeutua kolmas kaksin verroin infektoituneiden yksilöiden epidemia, koska kaksin verroin infektoituneilla naarailla on etulyöntiasema yksittäisiin tartunnan saaneisiin naaraisiin nähden, sillä ne voivat lisääntyä menestyksellisesti vain samalla Wolbachia-kannalla infektoituneilla uroksilla. Useita infektioita on raportoitu eri hyönteisten taksoneilla (37-39), ja kaksinkertaisesti tartunnan saaneiden urosten on osoitettu olevan osittain tai täysin yhteensopimattomia yhden tartunnan saaneiden naaraiden kanssa muissa hyönteisissä (37-41). Ennustamme, että kaksinkertaisia tartuntoja voi esiintyä paikkakunnilla, joissa kaksi kaksisuuntaisesti yhteensopimatonta Wolbachia-kantaa esiintyy samassa tai hyvin läheistä sukua olevassa taksonissa.

lauhkean vyöhykkeen hyönteisten taksonien seulonnassa, jossa käytettiin PCR-spesifisiä 16S rRNA-alukkeita, havaittiin, että 16% 615: stä eri heimoihin ja lahkoihin kuuluvasta hyönteisten taksonista oli Wolbachia-tartunnan saaneita (R. G. ja H. M. R., julkaisemattomat tiedot), ja vastaavia tartuntamääriä on saatu trooppisista hyönteisistä (42). Kun otetaan huomioon tämä tartuntatiheys, ennustamme, että muut hyönteisten hybridivyöhykkeet määräytyvät ainakin osittain Wolbachia-infektion ja sytoplasman yhteensopimattomuuden perusteella. Jotkin hyönteisten suvut saattavat olla luontaisen historiansa vuoksi alttiimpia Wolbachia-tartunnalle. Näiden ryhmien lajiutumista on tarkasteltava suhteessa Wolbachian rooliin.