Le rôle de la bactérie Wolbachia dans les incompatibilités de reproduction et les zones hybrides des coléoptères Diabrotica et des grillons Gryllus

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Diabrotica est un genre nouveau de coléoptères chrysomélides dont la distribution est principalement néotropicale et dont l’origine est probablement la région de l’Amérique centrale ou tropicale du Sud (28). Aujourd’hui, son aire de répartition englobe la majeure partie des États-Unis à l’est des Rocheuses et au nord du 35e parallèle, les États du Mexique au nord-ouest de Durango (à l’exclusion de Baja, CA), les régions méridionales de l’Ontario, au Canada, et une introduction récente en Europe de l’Est (29). L’aire de répartition du D. v. zeae s’étend du Guatemala au centre du Mexique jusqu’au panhandle du Texas et à certaines parties du sud de l’Oklahoma (28). L’expansion de la production de maïs peut également avoir facilité le déplacement de D. v. zeae vers le nord à partir du Mexique, ce qui a entraîné une région de contact secondaire avec D. v. virgifera dans le nord du Texas, où les sous-espèces s’hybrident (13).

Les adultes de D. v. zeae échantillonnés à Stephenville et Uvalde dans le sud du Texas n’ont pas été infectés par Wolbachia, alors que les adultes de D. v. virgifera provenant de 15 sites de distribution américaine et canadienne de D. v. virgifera ont été testés positifs pour Wolbachia, à l’exception de deux sites à Duncan et Willcox, AZ. Vingt-et-un adultes provenant de trois sites de la zone hybride du nord du Texas ont également été testés positifs, dont cinq spécimens dont les modèles d’index se situent dans la plage de variation de D. v. zeae (J. Communication personnelle de Krysan). Les séquences du gène ftsZ de Wolbachia provenant d’individus isolés d’Urbana, IL, Moriarty, NM et Blacksburg, VA, étaient identiques. De plus, la digestion avec DraI du fragment ftsZ obtenu avec (i) des amorces générales spécifiques à B, (ii) ftsZf1 et (iii) ftsZr1 indique que les populations de D. v. virgifera de tous les emplacements échantillonnés portent la même souche de Wolbachia. Une analyse phylogénétique utilisant le gène de l’ARNr 16S a placé cette souche dans une position basale avec une relation non résolue avec d’autres souches de Wolbachia (résultats non présentés). Le gène ftsZ (23, 30) a également identifié la Wolbachia de D. v. virgifera comme une souche basale et distincte de la plupart des autres souches du groupe A (Fig. 1). Compte tenu de la cohérence de l’infection et du type de souche dans l’ensemble de l’aire de répartition de D. v. virgifera, ainsi que de la propagation rapide de cette espèce en Amérique du Nord, nous suggérons que l’infection s’est produite dans le sud-ouest des États-Unis ou le nord-ouest du Mexique avant l’expansion vers l’est de D. v. virgifera aux États-Unis et au Canada. Le D.v. non infecté. les populations de virgifera dans le sud de l’Arizona peuvent être les restes de la population originale non infectée ou pourraient représenter des populations isolées qui ont perdu l’infection.

D. v. virgifera et D. v. zeae sont morphologiquement très similaires (13), à l’exception de la maculation élytrale noire qui est distinctive chez D. v. virgifera et se limite à l’humérus ou est absente chez D. v. zeae. Les sous-espèces ne sont pas isolées écologiquement car elles se trouvent toutes les deux sur le maïs; elles ne le sont pas non plus temporellement car elles ont le même mécanisme de diapause. Les études comportementales n’indiquent aucun obstacle prématuré à la reproduction car les deux sous-espèces réagissent à la phéromone du même sexe et aucune discrimination n’a été faite lors des expériences de choix d’accouplement (13). Lors du croisement, les deux sous-espèces étaient fertiles dans une direction, c’est-à-dire que les mâles de D. v. zeae du centre du Mexique s’accouplaient avec les femelles de D. v. virgifera du Dakota du Sud, alors que le croisement réciproque produisait très peu ou pas de progéniture viable (14). Pour tester si l’incompatibilité unidirectionnelle est causée par l’infection à Wolbachia identifiée dans D. v. virgifera, nous avons fait des croisements réciproques à partir de D. v. virgifera infectés et traités à la tétracycline. Les résultats indiquent que la souche de Wolbachia qui infecte D. v. virgifera est capable d’induire une incompatibilité cytoplasmique sévère, avec seulement 0,4% des 5627 œufs qui éclosent lorsque des mâles infectés de D. v. virgifera ont été croisés avec des femelles non infectées de D. v. virgifera traitées à la tétracycline (tableau 1, croisement d).

Nous avons également établi une colonie de laboratoire de D. v. zeae avec des spécimens de Stephenville, TX, et a confirmé que les femelles de D. v. zeae croisées avec les mâles de D. v. virgifera produisent très peu ou pas de progéniture alors que le croisement réciproque entraîne une éclosion normale des œufs (tableau 1, croisements f et h) (14). Lorsque nous avons répété les croisements en utilisant des mâles D. v. virgifera traités à la tétracycline, l’incompatibilité n’existait plus et des taux d’éclosion des œufs n’étaient pas significativement différents des témoins (tableau 1, croisement g), confirmant que l’incompatibilité d’accouplement unidirectionnelle entre ces deux sous-espèces est causée par la présence de Wolbachia chez D. v. virgifera.

Des incompatibilités reproductives similaires ont également été signalées entre certains membres du genre Gryllus en Amérique du Nord. Le genre Gryllus est distribué dans la majeure partie du monde à l’exception de l’Asie orientale et du Pacifique (31). Sur la base du nombre d’espèces, il est possible que le genre soit originaire du Nouveau Monde ou d’Afrique, où plusieurs genres similaires à Gryllus ont été répertoriés (32). En Amérique du Nord, le genre Gryllus compte plusieurs espèces étroitement apparentées, dont certaines sont difficiles à distinguer sur la seule base de caractères morphologiques. Au début du siècle, ce groupe était considéré comme une espèce unique avec un haut degré de variabilité (33). Les travaux ultérieurs utilisant principalement des chants d’appel ont discriminé certaines espèces (34).

Il a été démontré que plusieurs espèces du genre Gryllus sont incompatibles unidirectionnellement ou bidirectionnellement. L’incompatibilité unidirectionnelle entre les mâles de G. pennsylvanicus et les femelles de G. firmus dans l’est des États-Unis (19) reflète celle de D. v. virgifera et D. v. zeae. Nous avons constaté qu’à l’exception de G. firmus, les spécimens de toutes les espèces de Gryllus que nous avons étudiées sont généralement infectés par Wolbachia, parfois avec plus d’une souche (Fig. 2 et 3). Les incompatibilités signalées entre les différentes espèces de ce genre peuvent s’expliquer par une infection par cette bactérie. Notre étude a montré les schémas d’infection suivants. Les populations de G. integer échantillonnées dans le comté de Humboldt, NV, et le comté de Wayne, UT, sont infectées par la même souche de bactérie Wolbachia, que nous appelons le « type entier. »La population échantillonnée à Davis, en Californie, était également infectée par le type entier, à l’exception d’un individu qui hébergeait la même souche de Wolbachia que celle trouvée chez G. rubens, que nous appelons le « type rubens. »La population échantillonnée à Las Cruces, NM, avait deux individus infectés par la souche Wolbachia de type rubens et trois individus doublement infectés par les souches de type rubens et entier. Les populations de G. integer d’Austin et de Dallas, au Texas, abritaient également la même souche bactérienne qui, sur la base du gène de l’ARNr 16S et du gène ftsZ, semble identique à celle trouvée chez G. rubens de Lake Placid et Gainesville, en Floride. Cette souche de type rubens est également présente dans des spécimens de G. ovisopis échantillonnés à Gainesville. Nous n’avons pu obtenir que des spécimens de G. assimilis des cultures de laboratoire de T. Walker et de T. Zera; cette dernière culture était dérivée de la colonie de T. Walker. Les individus des deux cultures étaient infectés par la même souche dont la séquence pour le gène ftsZ était identique à la souche Wolbachia de type rubens. La séquence de fragments de gène de l’ARNr 16S indique que la souche de cette espèce a une transversion à la position 380 d’E. coli d’une guanine à une thymine, ce qui chez E. coli correspond à la première position dans la boucle tétra GCAA. Dans la souche de type « assimilis », la boucle est constituée de TAAA. Cette transversion ne se retrouve dans aucune autre séquence d’ARNr de Wolbachia 16S connue à ce jour.

La population de G. pennsylvanicus présente un schéma d’infection plus complexe. Dans la majeure partie de la distribution que nous avons échantillonnée, G. pennsylvanicus est polymorphe pour le type d’infection. Une population échantillonnée à Lethbridge, en Alberta, au Canada, a montré la présence d’une souche de Wolbachia différente de celles trouvées chez G. rubens, G. assimilis, G. integer et G. ovisopis. Nous appelons cette souche la souche de type « pennsylvanicus ». Sur les 39 spécimens infectés prélevés dans le centre de l’Illinois, 38 hébergeaient la souche de type pennsylvanicus tandis qu’un spécimen portait la souche de type rubens. Une localité située à 150 km au sud, Farina, dans l’Illinois, a montré un mélange d’individus infectés soit par la souche de type pennsylvanicus, soit par la souche de type rubens, soit par les deux. Sur deux échantillons prélevés à Ann Arbor, dans l’État de l’Illinois, l’un portait la souche de type rubens et l’autre était doublement infecté par les souches de type pennsylvanicus et rubens. Pour la population échantillonnée à London, en Ontario, au Canada, à 215 km au nord-est d’Ann Arbor, sur 19 individus infectés, 10 étaient porteurs du type pennsylvanicus, un du type rubens et huit étaient doublement infectés par les souches pennsylvanicus et rubens (Fig. 3 bis). Ce modèle polymorphe se poursuit chez des spécimens de G. pennsylvanicus collectés au Vermont et en Pennsylvanie. En Virginie et en Caroline du Nord, nous n’avons détecté que des individus infectés par des souches de type pennsylvanicus ou rubens. La population de G. le pennsylvanicus en Amérique du Nord est un mélange d’individus infectés par le type rubens ou pennsylvanicus, ainsi que d’individus doublement infectés par des souches et d’individus non infectés (fig. 3). Nos résultats indiquent jusqu’à présent que, dans les populations de G. pennsylvanicus de l’est de l’Amérique du Nord, l’infection de type rubens est plus fréquente dans le nord que dans le sud (Fig. 3 bis). De plus, nous avons constaté que, dans la plupart des localités où les deux souches sont présentes, des individus doublement infectés sont également présents (Fig. 2 et 3a).

En raison de la  » pulsion » associée à la propagation d’une infection à Wolbachia (35), nous proposons que la structure génétique des populations de G. pennsylvanicus que nous avons échantillonnées, à l’exclusion de Lethbridge, au Canada, ait été affectée par la présence des souches de Wolbachia de type rubens et pennsylvanicus. Par conséquent, nous désignerons les échantillons de G. pennsylvanicus collectés dans ces régions sous le nom de Gryllus near (nr.) pennsylvanicus pour refléter l’ambiguïté de leur statut taxonomique imposée par les types d’infection trouvés dans ces populations.

Nous avons échantillonné G. firmus de Gainesville et de la station biologique Archbold à Lake Placid, en Floride, et de Fort Fischer, en Caroline du Nord. Trente-deux des 35 spécimens prélevés dans ces localités n’étaient pas infectés. Les trois personnes infectées venaient de Gainesville, en Floride. Deux d’entre elles étaient porteuses du type rubens, et la troisième portait la souche Wolbachia de type pennsylvanicus (Fig. 2 et 3a). Cette découverte suggère que l’infection de ces deux souches de bactéries se déplace dans les populations de G. firmus, surtout à la lumière du fait que G. pennsylvanicus n’est pas connu de Gainesville, en Floride.

L’analyse des relations entre les différentes souches de Wolbachia que nous avons examinées chez l’espèce Gryllus en utilisant le gène ftsZ indique que les souches de type entier et de type rubens forment un groupe monophylétique et ne sont pas étroitement apparentées à la souche de type pennsylvanicus, qui est basale à toutes les autres souches de Wolbachia du groupe B connues jusqu’à présent. La souche de Wolbachia rapportée par Werren et al. (23) chez G. pennsylvanicus est de type rubens (Fig. 2).

Nous proposons que les infections chez les membres du genre Gryllus ci-dessus offrent une explication des incompatibilités d’accouplement observées obtenues par Smith et Cade (17), Cade et Tyshenko (18) et Harrison (19) et indiquent un rôle possible de Wolbachia dans la spéciation de certains membres de ce genre. L’incompatibilité bidirectionnelle observée entre G. rubens et G. integer est probablement le résultat d’une infection par les deux souches différentes de Wolbachia trouvées chez ces deux espèces. La compatibilité de G. rubens de Floride avec G. l’entier du Texas (17, 18) peut s’expliquer par le fait que ces populations sont porteuses de la bactérie de type rubens. Nos données appuient la conclusion de Smith et Cade (17) selon laquelle G. rubens et G. integer du Texas pourraient être la même espèce, malgré des différences dans leurs chants d’un degré habituellement utilisé pour différencier les espèces.

Étant donné que G. pennsylvanicus est infecté par Wolbachia et que G. firmus ne l’est généralement pas, les croisements montrant que les mâles de G. pennsylvanicus sont incompatibles avec les femelles de G. firmus (19) peuvent être interprétés comme résultant d’une incompatibilité cytoplasmique causée par Wolbachia. Notre interprétation est corroborée par le profil mitochondrial observé chez ces deux populations, à savoir que G. firmus et G. pennsylvanicus ont des types mitochondriaux distincts par lesquels ces deux populations ont été identifiées; cependant, bien que l’ADNmt de G. pennsylvanicus s’intrograde facilement dans la population de G. firmus, l’inverse ne se produit pas (36). Ce schéma serait observé si G. pennsylvanicus était infecté par Wolbachia, car la majorité des individus de la zone hybride seraient le résultat de la descendance de femelles infectées, qui dans ce cas porteraient le G. type mitochondrial pennsylvanicus avec l’infection de Wolbachia héritée de la mère.

L’incompatibilité unidirectionnelle entre les mâles de G. ovisopis, porteurs de la bactérie de type rubens, et les femelles de G. firmus (T. Walker, communication personnelle) peut également être interprétée à la lumière de cette infection. L’absence de descendance issue de croisements entre les mâles de G. pennsylvanicus et G. ovisopis et les femelles de G. firmus indique que ces deux souches pourraient provoquer une incompatibilité. Nous savons que G. ovisopis et G. les rubens portent la même souche de Wolbachia, de sorte que la cause probable de l’incompatibilité bidirectionnelle observée entre G. rubens et G. pennsylvanicus est les différentes souches de Wolbachia qu’ils peuvent héberger.

En utilisant le gène ftsZ, nous avons observé 39 différences de pb entre les souches de type pennsylvanicus et rubens, 41 différences entre les souches de type pennsylvanicus et de type entier, et 22 différences entre les souches de type rubens et entier. À titre de comparaison, dans le même segment de gène, il n’y a qu’un seul changement de base entre les souches de Wolbachia incompatibles bidirectionnellement trouvées chez Drosophila simulans Hawaii et D. simulans Riverside (23). Sur la base de ces preuves ainsi que des incompatibilités observées dans les accouplements entre les espèces respectives de Gryllus, nous prédisons que les souches de type rubens, entier et pennsylvanicus sont incompatibles bidirectionnellement.

La zone hybride entre G. pennsylvanicus et G. firmus désignée par Harrison et Arnold (20) est plus complexe qu’une interaction espèce–espèce. Certains des sites que nous avons échantillonnés le long de la Blue Ridge et des Appalaches montrent une répartition inégale des types d’infection au sein des populations de G. pennsylvanicus (Fig. 3 bis). Ainsi, dans cette région, des interactions possibles peuvent se produire entre des populations de G. firmus non infectées, de G. nr. pennsylvanicus infectées par des Wolbachia de type rubens ou pennsylvanicus et de G. nr pennsylvanicus infectées par des souches de Wolbachia de type rubens et pennsylvanicus. L’infection à Wolbachia chez l’espèce Gryllus mentionnée et plus précisément les multiples types d’infection trouvés chez le G. nr. la population de pennsylvanicus indique que la restriction au flux génétique peut se produire au sein d’une population en raison des différences de type d’infection. Le succès reproducteur des individus de ces populations dépendra de leur profil d’infection ainsi que de celui des individus avec lesquels ils s’accouplent. Notre concept de ce qui constitue une espèce du genre Gryllus doit être réévalué à la lumière des infections de Wolbachia qu’ils hébergent.

Les infections par Wolbachia peuvent balayer une population en raison de l’avantage que les femelles infectées ont sur les femelles non infectées (35). Étant donné que G. il a été démontré que pennsylvanicus et G. firmus s’hybrident en laboratoire (19) et qu’il existe des preuves d’hybridation sur le terrain (21), la distribution actuelle de G. firmus peut être interprétée comme une relique, à partir d’une zone plus large à travers laquelle une population infectée s’est déplacée. Une autre explication pourrait être plusieurs sites d’infection avec la même souche de Wolbachia, mais nous n’avons aucune information sur la façon dont les bactéries Wolbachia sont transmises horizontalement d’une espèce à l’autre ni sur la fréquence à laquelle elles sont acquises. Par conséquent, nous choisissons l’explication la plus parcimonieuse, selon laquelle l’infection a pris naissance à un endroit et s’est ensuite propagée. En effet, nos données suggèrent que les infections à Wolbachia ont une composante géographique et que le type rubens est originaire du sud où il prédomine (Fig. 3 bis). Cependant, dans la population de G. nr. pennsylvanicus de l’est de l’Amérique du Nord, l’infection de type rubens est répandue dans les populations échantillonnées dans le nord. Ces localités sont les points les plus éloignés des populations de Gryllus uniformément infectées par la souche de type rubens et loin de tout G signalé. populations de rubens (Fig. 3 a et b). Nous proposons que l’infection de type rubens se soit déplacée dans la population de Gryllus qui existait dans l’est de l’Amérique du Nord avant le mouvement vers l’est de la souche de type pennsylvanicus.

Dans les populations de Gryllus, des individus doublement infectés peuvent résulter d’une pression de sélection dans une population dans laquelle existent deux souches bactériennes incompatibles bidirectionnellement (Fig. 2 et 3a). Dans une telle circonstance, les individus doublement infectés seraient sélectionnés car, si les deux infections peuvent survivre dans un grillon, les femelles seraient compatibles avec les mâles porteurs de l’une ou l’autre souche bactérienne. Un troisième balayage infectieux d’individus doublement infectés pourrait alors s’ensuivre dans la population parce que les femelles doublement infectées ont un avantage sur les femelles isolées, qui ne pourraient se reproduire avec succès qu’avec des mâles infectés par la même souche de Wolbachia. Des infections multiples ont été rapportées chez divers taxons d’insectes (37-39), et il a été démontré que les mâles doublement infectés étaient partiellement ou complètement incompatibles avec les femelles infectées individuellement chez d’autres insectes (37-41). Nous prévoyons que des infections doubles pourraient survenir dans des localités où des infections simples avec deux souches de Wolbachia incompatibles bidirectionnellement se produisent dans des taxons identiques ou très étroitement apparentés.

Dans un criblage de taxons d’insectes tempérés utilisant la PCR avec des amorces d’ARNr 16S spécifiques, nous avons constaté que 16% des 615 taxons d’insectes, provenant d’une grande variété de familles et d’ordres, étaient infectés par Wolbachia (R.G. et H.M.R., données non publiées), et des taux d’infection similaires ont été obtenus pour les insectes tropicaux (42). Compte tenu de cette fréquence d’infection, nous prévoyons que d’autres zones hybrides d’insectes seront définies au moins en partie par une infection à Wolbachia et une incompatibilité cytoplasmique. Certains genres d’insectes peuvent être plus sujets à l’infection par Wolbachia en raison de leur histoire naturelle. La spéciation au sein de ces groupes doit être examinée en ce qui concerne le rôle joué par les Wolbachia.