eredmények és vita
a Diabrotica a chrysomelid bogarak újvilági nemzetsége, amelynek elterjedése elsősorban neotropikus, és amelynek eredete valószínűleg közép-vagy trópusi Dél-Amerika régiója (28). Ma elterjedési területe magában foglalja az Egyesült Államok nagy részét a Sziklás-hegységtől keletre és a 35.párhuzamtól északra, Mexikó államait durangótól északnyugatra (kivéve Baja, CA), Ontario déli területeit, Kanada, valamint egy nemrégiben Kelet-Európába történő bevezetés (29). A D. V. zeae elterjedése magában foglal egy területet Guatemalától Mexikó középső részén át Texas panhandle-ig és Dél-Oklahoma egyes részeihez (28). A kibővített kukoricatermelés elősegíthette a D. V. zeae Mexikótól észak felé történő mozgását is, ami másodlagos érintkezést eredményezett a D. v.-vel. virgifera Észak-Texasban, ahol az alfaj hibridizálódik (13).
A dél-texasi Stephenville-ből és Uvalde-ból vett D. V. zeae felnőttek nem fertőződtek meg Wolbachia-val, míg a D. V. virgifera 15, Az Egyesült Államokon belüli és a D. V. Virgifera Kanadai eloszlásából származó felnőttek Wolbachia-tesztje pozitív volt, kivéve két, Duncan és Willcox, AZ-I telephelyet. Huszonegy FELNŐTT az észak-texasi hibrid zóna három helyszínéről szintén pozitív eredményt adott, köztük öt olyan minta, amelynek indexmintái a D. v. zeae (J. Krysan személyes kommunikáció). A Wolbachia ftsZ génjének szekvenciái Urbana, IL, Moriarty, NM és Blacksburg, VA egyedekből azonosak voltak. Ezenkívül az (i) általános B-specifikus primerekkel, (ii) ftsZf1-gyel és (iii) ftsZr1-gyel nyert ftsZ fragmentum Drai-val történő emésztése azt mutatta, hogy a D. V. virgifera populációi a mintában szereplő valamennyi helyről ugyanazt a Wolbachia törzset hordozzák. A 16S rRNS gén felhasználásával végzett filogenetikai elemzés ezt a törzset bazális helyzetbe helyezte, megoldatlan kapcsolatban más Wolbachia törzsekkel (az eredmények nem láthatók). Az ftsZ gén (23, 30) a D. V. virgifera-ból származó Wolbachiát is bazális törzsként azonosította, amely különbözik az A csoport legtöbb más törzsétől (ábra. 1). Tekintettel a D. V. virgifera elterjedése során a fertőzés és a törzstípus következetességére, valamint e faj gyors elterjedésére Észak-Amerikában, azt javasoljuk, hogy a fertőzés az Egyesült Államok délnyugati részén vagy Mexikó északnyugati részén történt, mielőtt a D. v. virgifera keleti terjeszkedése az Egyesült Államokban és Kanadában történt. A nem fertőzött D. v. az Arizonai déli virgifera populációk lehetnek az eredeti nem fertőzött populáció maradványai, vagy olyan elszigetelt populációkat képviselhetnek, amelyek elvesztették a fertőzést.
az ftsz gén részleges DNS-szekvenciájával becsült 36 egyformán legtöbb parszimonikus fa egyike. A csillagok az összes parsimonious fa által támogatott ágakat jelzik. A fa középpontban gyökerezett, hossza 370 lépés volt, a konzisztencia index (a nem informatív karakterek kivételével) 0,64, a retenciós index pedig 0,95. Az A és B megjelölés a werren et al. (23). 6, Wolbachia szekvencia megjelent Werren et al. (23).
a D. v. virgifera és a D. V. zeae morfológiailag nagyon hasonlóak (13), kivéve a fekete elytralis makulációt, amely a D. v. virgifera esetében megkülönböztető jellegű, és a felkarcsontra korlátozódik, vagy hiányzik a D. V. zeae-ból. Az alfajok nem ökológiailag izoláltak, mert mindkettő megtalálható a kukoricán; sem ideiglenesen izoláltak, mert ugyanaz a diapauza mechanizmus. A viselkedési vizsgálatok nem utalnak a szaporodás előtti akadályokra, mivel mindkét alfaj reagál az azonos nemű feromonra, és a párzási választási kísérletek során nem történt megkülönböztetés (13). Keresztezéskor a két alfaj termékeny volt egy irányban, azaz a közép-mexikói D. V. zeae hímek párosodtak a dél-dakotai D. V. virgifera nőstényekkel, míg a kölcsönös kereszt nagyon kevés életképes utódot hozott létre (14). Annak tesztelésére, hogy az egyirányú inkompatibilitást a D. v.-ben azonosított Wolbachia fertőzés okozza-e. virgifera, kölcsönös keresztezéseket csináltunk fertőzött és tetraciklinnel kezelt D. V. virgifera-ból. Az eredmények azt mutatják, hogy a Wolbachia törzs, amely megfertőzi a D. v. virgifera-t, képes súlyos citoplazmatikus inkompatibilitást kiváltani, mivel a fertőzött D. v. virgifera hímeket tetraciklinnel kezelt, nem fertőzött D. v. virgifera nőstényekkel keresztezték az 5627 tojás mindössze 0,4% – át (1.táblázat, kereszt d).
- View inline
- View popup
összehasonlítások átlagos százalékos tojás kikelnek a keresztek segítségével fertőzött és tetraciklinnel kezelt D. V. virgifera és természetesen nem fertőzött D. V. zeae a Mann-Whitney U teszt
létrehoztunk egy laboratóriumi kolónia D. V. zeae mintákkal Stephenville, D. V. zeae nőstények keresztezték D. V. virgifera hímek nagyon kevés utódot hoznak létre, míg a kölcsönös keresztezés normális tojáskiütést eredményez (1. táblázat, F és h keresztezés) (14). Amikor megismételtük a keresztezéseket tetraciklinnel kezelt D. v. virgifera hímekkel, az inkompatibilitás már nem létezett, és a tojás kikelési aránya nem különbözött szignifikánsan a kontrolloktól (1.táblázat, g kereszt), megerősítve, hogy a két alfaj közötti egyirányú párzási inkompatibilitást a Wolbachia jelenléte okozza a D. v. virgifera-ban.
hasonló reprodukciós inkompatibilitásokról számoltak be a Gryllus nemzetség egyes tagjai között Észak-Amerikában. A Gryllus nemzetség a világ nagy részén elterjedt, kivéve Kelet-Ázsiát és a Csendes-óceánt (31). A fajok száma alapján lehetséges, hogy a nemzetség az Újvilágból vagy Afrikából származik, ahol több, a Gryllushoz hasonló nemzetséget rögzítettek (32). Észak-Amerikában a Gryllus nemzetségnek számos szorosan rokon faja van, amelyek közül néhányat csak morfológiai karakterek alapján nehéz megkülönböztetni. A század elején ezt a csoportot egyetlen fajnak tekintették, nagyfokú variabilitással (33). Az ezt követő munka, főleg hívó dalokat használva, megkülönböztetett néhány faj között (34).
a Gryllus nemzetség számos fajáról kimutatták, hogy egyirányú vagy kétirányú összeférhetetlen. A G. pennsylvanicus hímek és a G. firmus nőstények közötti egyirányú inkompatibilitás az Egyesült Államok keleti részén (19) tükrözi a D. V. virgifera és a D. V. zeae közötti inkompatibilitást. Megállapítottuk, hogy a G. firmus kivételével az összes vizsgált Gryllus faj példányai általában Wolbachia-val fertőzöttek, néha egynél több törzzsel (füge. 2. és 3.). A nemzetség különböző fajai között jelentett inkompatibilitások a baktériummal való fertőzéssel magyarázhatók. Tanulmányunk a következő fertőzési mintákat mutatta be. Humboldt megyéből vett egész szám, NV, Wayne megye, UT, ugyanazzal a Wolbachia baktériumtörzssel fertőzöttek, amelyet “egész típusnak” nevezünk.”A Davis-ben, CA-ban mintavételezett populáció szintén egész típusú fertőzéssel fertőzött, kivéve egy olyan egyént, amely ugyanazt a Wolbachia törzset hordozta, mint a G. rubens-ben, amelyet “rubens-típusnak” nevezünk.”A Las Cruces-ban (NM) vett populációban két olyan személy volt, akik a rubens – típusú Wolbachia törzzsel fertőződtek meg, és három olyan személy, akik kétszeresen fertőzöttek a rubens-és integer-típusú törzsekkel. A G. integer populációk Austinban és Dallasban, TX-ben is ugyanazt a baktériumtörzset rejtették, amely a 16S rRNS gén és az ftsZ gén alapján azonosnak tűnik a Lake Placid és Gainesville, FL G. rubens-ben találhatóval. Ez a rubens típusú törzs a Gainesville-ből vett G. ovisopis mintákban is előfordul. Csak g példányokat tudtunk beszerezni. assimilis T. Walker és T. Zera laboratóriumi tenyészetéből származik; ez utóbbi tenyészet T. Walker kolóniájából származik. Mindkét tenyészetből származó egyedeket ugyanazzal a törzzsel fertőzték meg, amelynek az ftsZ gén szekvenciája azonos volt a rubens típusú Wolbachia törzzsel. A 16S rRNS génfragmens szekvencia azt jelzi, hogy ebben a fajban a törzs transzverziója van az E. coli 380.pozíciójában guaninból timinbe, amely az E. coliban megfelel a tetra hurok gcaa első helyzetének. Az “assimilis típusú” törzsben a hurok TAAA-ból áll. Ez a transzverzió nem található meg egyetlen más, eddig ismert Wolbachia 16S rRNS szekvenciában sem.
a G. pennsylvanicus populációja összetettebb fertőzési mintát mutat. A mintavételezett Eloszlás nagy részében a G. pennsylvanicus polimorf a fertőzés típusa szempontjából. A kanadai Lethbridge-ben (Alberta, Kanada) vett populációban egy Wolbachia törzs jelenlétét mutatták ki, amely különbözik a G. rubens, G. assimilis, G. integer és G. ovisopis törzsétől. Ezt a törzset “pennsylvanicus típusú” törzsnek nevezzük. Az Illinois középső részéből vett 39 fertőzött minta közül 38 a pennsylvanicus típusú törzset hordozta, míg az egyik példány a rubens típusú törzset hordozta. Egy 150 km-re délre fekvő település, Farina, IL, olyan egyének keverékét mutatta, amelyek vagy a pennsylvanicus típusú, vagy rubens típusú törzzsel, vagy mindkettővel fertőzöttek voltak. Az Ann Arborból vett két minta közül az egyik a rubens típusú törzset hordozta, a másik pedig kétszeresen fertőzött a pennsylvanicus – és rubens-típusú törzsekkel. Az Ann Arbor-tól 215 km-re északkeletre, Londonban, Ontarióban, Kanadában mintavételezett populációban 19 fertőzött személyből 10 hordozta a pennsylvanicus – típust, az egyik a rubens-típust, nyolc pedig kétszeresen fertőzött a pennsylvanicus-és rubens-típusú törzsekkel (ábra. 3a). Ez a polimorf minta folytatódik a G. pennsylvanicus Vermontból és Pennsylvaniából gyűjtött példányaiban. Virginiában és Észak-Karolinában csak a pennsylvanicus-vagy rubens-típusú törzsekkel fertőzött egyedeket találtunk. A lakosság G. pennsylvanicus Észak-Amerikában olyan egyének keveréke, amelyek rubens-típusú vagy pennsylvanicus-típusú fertőzöttek, valamint olyan egyének, amelyek kétszeresen fertőzöttek mind a törzsekkel, mind a nem fertőzött egyénekkel (ábra. 3). Eddigi eredményeink azt mutatják, hogy Észak-Amerika keleti részén, a G. pennsylvanicus populációiban a rubens-típusú fertőzés északon nagyobb gyakorisággal fordul elő, mint délen (ábra. 3a). Ezenkívül azt tapasztaltuk, hogy a legtöbb olyan településen, ahol mindkét törzs előfordul, kétszeresen fertőzött egyének is jelen vannak (füge. 2 és 3a).
a Wolbachia fertőzés terjedésével kapcsolatos “hajtás” eredményeként (35) Azt javasoljuk, hogy a G. pennsylvanicus populációk genetikai szerkezetét, a kanadai Lethbridge kivételével, befolyásolták a rubens – és pennsylvanicus típusú Wolbachia törzsek jelenléte. Ezért az ezekben a régiókban gyűjtött G. pennsylvanicus mintákra Gryllus near (nr.) pennsylvanicus néven hivatkozunk, hogy tükrözzük taxonómiai státuszuk kétértelműségét, amelyet az ezekben a populációkban található fertőzéstípusok szabtak meg.
mintát vettünk G-ből. firmus a Gainesville és az Archbold biológiai állomás Lake Placid, FL, és Fort Fischer, NC. Az ezekből a helységekből vett 35 példány közül harminckettő nem volt fertőzött. A három fertőzött személy Gainesville-ből származott, FL. Kettőről kiderült, hogy a rubens-típust hordozzák, a harmadik pedig a pennsylvanicus típusú Wolbachia törzset (füge. 2 és 3a). Ez a megállapítás arra utal, hogy e két baktériumtörzs fertőzése a G. firmus populációiba költözik, különösen annak fényében, hogy G. pennsylvanicus nem ismert Gainesville-ből, FL.
a különböző vizsgált Wolbachia törzsek közötti összefüggések elemzése a Gryllus fajokban az ftsZ gén felhasználásával azt mutatja, hogy az integer – és rubens-típusú törzsek monofiletikus csoportot alkotnak, és nem állnak szoros rokonságban a pennsylvanicus-típusú törzzsel, amely bazális az összes eddig ismert B-csoport Wolbachia törzsével. A Wolbachia törzse, amelyet Werren et al. (23) a G. pennsylvanicus a rubens-típusú (ábra. 2).
azt javasoljuk, hogy a Gryllus nemzetség fenti tagjainak fertőzései magyarázatot adjanak a Smith és Cade (17), Cade és Tyshenko (18) és Harrison (19) által megfigyelt párzási inkompatibilitásokra, és rámutatnak a Wolbachia lehetséges szerepére e nemzetség egyes tagjainak speciációjában. A G. rubens és a G. integer között megfigyelt kétirányú inkompatibilitás valószínűleg az e két fajban található két különböző Wolbachia törzs fertőzésének eredménye. A floridai G. rubens kompatibilitása G-vel. egész szám Texasból (17, 18) magyarázható, mert ezek a populációk hordozzák a rubens típusú baktériumokat. Adataink alátámasztják Smith és Cade (17) következtetését, miszerint a Texasi G. rubens és G. integer azonos faj lehet, annak ellenére, hogy dalaikban olyan mértékű különbségek vannak, amelyeket általában a fajok megkülönböztetésére használnak.
tekintettel arra, hogy a G. pennsylvanicus Wolbachiával fertőzött, a G. firmus pedig általában nem, a keresztezések azt mutatják, hogy a G. pennsylvanicus hímek nem kompatibilisek a G. firmus nőstényekkel (19) úgy értelmezhető, hogy a Wolbachia által okozott citoplazmatikus inkompatibilitás következményei. Értelmezésünket tovább támasztja alá a két populációban megfigyelt mitokondriális minta, nevezetesen, hogy a G. firmus és a G. pennsylvanicus különálló mitokondriális típusokkal rendelkezik, amelyek alapján ezt a két populációt azonosították; bár a G. pennsylvanicus mtDNS könnyen behatol a G. firmus populációjába, ennek fordítottja nem fordul elő (36). Ez a minta figyelhető meg, ha G. pennsylvanicus fertőzött Wolbachia, mert az egyének többsége a hibrid zónában lenne az eredménye utódai fertőzött nőstények, amely ebben az esetben hordozná a G. pennsylvanicus mitokondriális típus az anyai öröklésű Wolbachia fertőzéssel együtt.
a rubens típusú baktériumokat hordozó G. ovisopis hímek és a G. firmus nőstények (T. Walker, személyes kommunikáció) közötti egyirányú inkompatibilitás szintén e fertőzés fényében értelmezhető. A G. pennsylvanicus és a G. ovisopis hímek és a G. firmus nőstényei közötti keresztezésből származó utódok hiánya arra utal, hogy ez a két törzs összeférhetetlenséget okozhat. Tudjuk, hogy G. ovisopis és G. a rubens ugyanazt a Wolbachia törzset hordozza, így a G. rubens és a G. pennsylvanicus között megfigyelt kétirányú inkompatibilitás valószínű oka a különböző Wolbachia törzsek.
az ftsZ gén felhasználásával 39 bp különbséget figyeltünk meg a pennsylvanicus – és rubens-típusú törzsek között, 41 különbséget a pennsylvanicus – és integer-típusú törzsek között, és 22 különbséget a rubens – és integer-típusú törzsek között. Összehasonlításképpen, ugyanabban a génszegmensben csak egy bázisváltozás van a Drosophila simulans Hawaii és a D. simulans Riverside kétirányú inkompatibilis Wolbachia törzsei között (23). Ezen bizonyítékok, valamint az egyes Gryllus Fajok párzásában megfigyelt inkompatibilitások alapján azt jósoljuk, hogy a rubens-, integer-, a pennsylvanicus-típusú törzsek kétirányúan inkompatibilisek.
A G. pennsylvanicus és a G. firmus közötti, Harrison és Arnold által kijelölt hibrid zóna (20) összetettebb, mint egy faj–faj kölcsönhatás. A Blue Ridge és az Appalache-hegység mentén mintavételezett helyek némelyike a fertőzéstípusok foltos eloszlását mutatja A G. pennsylvanicus populációkon belül (ábra. 3a). Így ebben a régióban lehetséges kölcsönhatások fordulhatnak elő a nem fertőzött G. firmus, G. nr. pennsylvanicus vagy rubens – vagy pennsylvanicus-típusú Wolbachiával fertőzött populációk, valamint a rubens – és pennsylvanicus-típusú Wolbachia törzsekkel fertőzött G. nr pennsylvanicus populációk között. A Wolbachia fertőzés az említett Gryllus fajokban, különös tekintettel a G. nr-ben található többféle fertőzéstípusra. a pennsylvanicus populáció azt jelzi, hogy a fertőzés típusának különbségei miatt a populáción belül korlátozódhat a génáramlás. Az egyének reproduktív sikere ezekben a populációkban függ a fertőzési profiljuktól, valamint azoktól az egyénektől, akikkel párosodnak. A Gryllus nemzetségbe tartozó faj fogalmát újra kell értékelni az általuk hordozott Wolbachia fertőzések fényében.
a Wolbachia-fertőzések átsöpörhetnek egy populáción annak az előnynek köszönhetően, amelyet a fertőzött nők élveznek a nem fertőzött nőstényekkel szemben (35). Tekintettel arra, hogy G. a pennsylvanicus és a G. firmus hibridizációját kimutatták a laboratóriumban (19), és hogy bizonyíték van a hibridizációra a terepen (21), a G. firmus jelenlegi eloszlása reliktumként értelmezhető, egy szélesebb területről, amelyen keresztül egy fertőzött populáció söpörte. Alternatív magyarázat lehet több fertőzés helye ugyanazzal a Wolbachia törzzsel, de nincs információnk arról, hogy a Wolbachia baktériumok hogyan terjednek vízszintesen a fajok között, vagy milyen gyakorisággal szerzik be őket. Ezért a leginkább parsimonious magyarázatot választjuk, hogy a fertőzés egy helyen keletkezett,majd később terjedt. Valójában adataink azt sugallják, hogy a Wolbachia fertőzéseknek földrajzi összetevője van, és hogy a rubens-típus délről származik, ahol túlsúlyban van (ábra. 3a). Észak-Amerika keleti részén, a G. nr. pennsylvanicus populációban azonban a rubens-típusú fertőzés elterjedt az északi mintában szereplő populációkban. Ezek a helyek a legtávolabbi pontok a rubens-típusú törzzsel egyenletesen fertőzött Gryllus populációktól, és messze vannak a jelentett G-től. rubens populációk (ábra. 3 a és b). Javasoljuk, hogy a rubens típusú fertőzés a Gryllus populációján keresztül mozogjon, amely Észak-Amerika keleti részén létezett a pennsylvanicus típusú törzs keleti irányú mozgása előtt.
a Gryllus populációkban a kétszeresen fertőzött egyének szelekciós nyomás következményei lehetnek egy olyan populációban, amelyben két baktériumtörzs létezik, amelyek kétirányúan összeférhetetlenek (ábra. 2 és 3a). Ilyen körülmények között, a kétszeresen fertőzött személyeket azért választanák ki, mert, ha mindkét fertőzés képes túlélni egy tücsökben, a nőstények kompatibilisek lennének bármelyik baktériumtörzset hordozó hímekkel. Ezután a kétszeresen fertőzött egyének harmadik fertőző söpörése következhet be a populáción keresztül, mert a kétszeresen fertőzött nőstényeknek előnyük van az egyedül fertőzött nőstényekkel szemben, amelyek csak ugyanazzal a Wolbachia törzzsel fertőzött hímekkel képesek sikeresen szaporodni. Több fertőzésről számoltak be különböző rovar taxonok (37-39), és kétszeresen fertőzött hímek kimutatták, hogy részben vagy teljesen inkompatibilis egyedül fertőzött nőstények más rovarok (37-41). Azt jósoljuk, hogy kettős fertőzések fordulhatnak elő olyan helyeken, ahol egyetlen fertőzés két kétirányúan inkompatibilis a Wolbachia törzsei ugyanabban vagy nagyon szorosan kapcsolódó taxonokban fordulnak elő.
a mérsékelt égövi rovar taxonok specifikus 16S rRNS primerekkel végzett PCR-t használó szűrőjén azt találtuk, hogy a sokféle családból és rendből származó 615 rovar taxon 16% – a fertőzött Wolbachia-val (R. G. és H. M. R., nem publikált adatok), és hasonló fertőzési arányokat kaptak a trópusi rovarok esetében (42). Tekintettel a fertőzés gyakoriságára, azt jósoljuk, hogy más rovarok hibrid zónáit legalább részben a Wolbachia fertőzés és a citoplazmatikus inkompatibilitás határozza meg. A rovarok egyes nemzetségei természetük következtében hajlamosabbak lehetnek a Wolbachia fertőzésre. Az e csoportokon belüli speciációt meg kell vizsgálni a Wolbachia szerepe szempontjából.