Rollen Av Wolbachia bakterier i reproduktive inkompatibilitet og hybrid soner Av Diabrotica biller og Gryllus sirisser

RESULTATER og DISKUSJON

Diabrotica Er En ny verden slekt av chrysomelid biller som er primært Neotropical i sin distribusjon og hvis opprinnelse er trolig regionen Sentral-Eller Tropisk Sør-Amerika (28). I dag omfatter området det meste av Usa øst For Rockies og nord for den 35. breddegrad, mexico nordvest For Durango (unntatt Baja, CA), sørlige Områder Av Ontario, Canada, og en nylig introduksjon til øst-Europa (29). Fordelingen av D. v. zeae omfatter et område fra Guatemala gjennom sentrale Mexico i panhandle Of Texas og deler av sørlige Oklahoma (28). Utvidet maisproduksjon kan også ha muliggjort Bevegelsen Av D. v. zeae nordover fra Mexico, noe som resulterte i en region med sekundær kontakt Med D. v. virgifera i nord-Texas, hvor underartene hybridiserer (13).Voksne Av D. v. zeae samplet Fra Stephenville og Uvalde i sørlige Texas ble ikke smittet Med Wolbachia mens voksne Av D. v. virgifera fra 15 steder i Usa og Kanadiske distribusjon Av D. v. virgifera testet positivt for Wolbachia, med unntak av to steder På Duncan Og Willcox, AZ. Tjueen voksne fra tre steder i north Texas hybrid zone testet også positivt, inkludert fem prøver med indeksmønstre innenfor variasjonsområdet Av Dv zeae (J. Krysan personlig kommunikasjon). Sekvenser av Ftsz-Genet Av Wolbachia fra enkeltpersoner fra Urbana, IL, Moriarty, NM og Blacksburg, VA, var identiske. I tillegg indikerte fordøyelse Med DraI av ftsZ-fragmentet oppnådd med (i) generelle b-spesifikke primere, (ii) ftsZf1 og (iii) ftsZr1 at populasjoner Av D. v. virgifera fra alle samplede steder bærer samme Stamme Av Wolbachia. En fylogenetisk analyse ved HJELP AV 16s rRNA-genet plasserte denne stammen i en basal stilling med et uløst forhold til Andre Wolbachia-stammer (resultater ikke vist). FtsZ-genet (23, 30) identifiserte Også Wolbachia Fra Dv virgifera som en basal stamme og forskjellig fra de fleste andre stammer I A-gruppen (Fig. 1). Gitt konsistensen av infeksjon og stamme-type gjennom distribusjon Av D. v. virgifera, samt den raske spredningen av denne arten I Nord-Amerika, foreslår vi at infeksjonen skjedde i det sørvestlige Usa Eller nordvestlige Mexico før østover utvidelse Av D. v. virgifera I Usa og Canada. Den uinfiserte D. v. virgifera populasjoner i sørlige Arizona kan være restene av den opprinnelige uinfiserte befolkningen eller kan representere isolerte populasjoner som har mistet infeksjonen.

D. v. virgifera og D. v. zeae er morfologisk svært like (13), med unntak av svart elytral makulering som er karakteristisk I d. v. virgifera og begrenset til humerus eller er fraværende I D. v. zeae. Underartene er ikke økologisk isolert fordi de begge finnes på mais; de er heller ikke midlertidig isolert fordi de har samme diapause mekanisme. Behavioral studier indikerer ikke noen premating barrierer for reproduksjon fordi begge underarter reagerer på samme kjønn feromon og ingen diskriminering ble gjort under parring valg eksperimenter (13). Når krysset var de to underartene fruktbare i en retning, det vil si D. v. zeae-menn fra sentral-Mexico parret Med D. v. virgifera-kvinner Fra Sør-Dakota, mens det gjensidige korset produserte svært få eller ingen levedyktige avkom (14). For å teste om den ensrettede inkompatibiliteten skyldes Wolbachia-infeksjonen identifisert I D. v. virgifera, vi gjorde gjensidige kors fra infisert Og tetracyklin-behandlet d. v. virgifera. Resultatene indikerer at Stammen Av Wolbachia som infiserer d. v. virgifera er i stand til å indusere alvorlig cytoplasmatisk inkompatibilitet, med bare 0,4% av 5627 egg klekking når infiserte D. v. virgifera menn ble krysset med tetracyklin-behandlede uinfiserte D. v. virgifera kvinner (Tabell 1, kryss d).

vi etablerte også en laboratoriekoloni Av d. v. zeae med prøver Fra Stephenville, TX, og bekreftet at d. v. zeae hunner krysset med d. v. Virgifera hanner produserer svært få eller ingen avkom mens det gjensidige krysset resulterer i en normal eggluke (tabell 1, krysser f og h) (14). Når vi gjentok kryssene ved hjelp av tetracyklinbehandlede D. v. virgifera-hanner, eksisterte ikke inkompatibiliteten lenger, og eggluke ble observert som ikke var signifikant forskjellig fra kontrollene (Tabell 1, kryss g), og bekrefter at den ensrettede parringskompatibiliteten mellom disse to underartene skyldes Tilstedeværelsen Av Wolbachia I d. v. virgifera.

Lignende reproduktive inkompatibiliteter har også blitt rapportert mellom noen medlemmer Av slekten Gryllus i Nord-Amerika. Slekten Gryllus er utbredt over det meste av verden med unntak av øst-Asia og Stillehavet (31). Basert på antall arter er det mulig at slekten oppsto I Den Nye Verden eller Afrika, hvor flere slekter som Ligner Gryllus er registrert (32). I Nord-Amerika har slekten Gryllus flere nært beslektede arter, hvorav noen er vanskelige å skille på grunnlag av morfologiske tegn alene. I begynnelsen av århundret ble denne gruppen ansett som en enkelt art med høy grad av variabilitet (33). Etterfølgende arbeid hovedsakelig ved hjelp av kallesanger diskriminert blant noen av artene (34).

Flere arter i slekten Gryllus har vist seg å være enveis eller toveis inkompatible. Den enveis inkompatibilitet Mellom g. pennsylvanicus menn og g. firmus kvinner i det østlige Usa (19) speiler At Av D. v. virgifera Og d. v. zeae. Vi har funnet ut at, med unntak Av G. firmus, er prøver fra Alle Gryllus-artene som vi har studert, vanligvis smittet Med Wolbachia, noen ganger med mer enn en stamme (Fiken. 2 og 3). Inkompatibilitetene rapportert mellom de ulike artene i denne slekten kan forklares ved infeksjon med denne bakterien. Vår studie har vist følgende infeksjonsmønstre. Populasjoner Av G. heltall samplet Fra Humboldt County, NV, Og Wayne County, UT, er infisert med samme stamme Av Wolbachia bakterier, som vi refererer til som » heltall type.»Befolkningen samplet I Davis, CA, også ble infisert med heltall type, med unntak av en person som næret samme stamme Av Wolbachia som finnes I G. rubens, som vi refererer til som» rubens type.»Befolkningen som ble samplet I Las Cruces, NM, hadde to personer som var infisert med rubens-Typen Wolbachia-stammen og tre personer som var dobbelt infisert med rubens – og heltallstammen. G. integer populasjoner I Austin Og Dallas, TX, også næret samme bakteriestamme, som, på grunnlag AV 16s rRNA genet og ftsZ genet, synes identisk med det som finnes I G. rubens Fra Lake Placid og Gainesville, FL. Dette rubens-type stamme forekommer også i prøver Av G. ovisopis samplet Fra Gainesville. Vi kunne bare få prøver Av G. assimilis fra laboratoriet kulturer Av T. Walker Og T. Zera; sistnevnte kultur ble avledet Fra t. Walker koloni. Individer fra begge kulturer ble infisert med samme stamme hvis sekvens for ftsz-genet var identisk med rubens-Typen Wolbachia-stammen. 16s rrna-genfragmentsekvensen indikerer at stammen i denne arten har en transversjon ved e. coli-posisjon 380 fra en guanin til en tymin, som i E. coli tilsvarer den første posisjonen I tetra-sløyfen GCAA. I» assimilis-type » – stammen består sløyfen AV TAAA. Denne transversjonen finnes ikke i Noen Annen Wolbachia 16s rRNA-sekvens som hittil er kjent.

befolkningen I G. pennsylvanicus viser et mer komplekst mønster av infeksjon. Gjennom det meste av distribusjonen som Vi har samplet, Er g. pennsylvanicus polymorf for infeksjonstype. En befolkning samplet I Lethbridge, Alberta, Canada, viste tilstedeværelsen av En Wolbachia stamme forskjellig fra de som finnes I G. rubens, G. assimilis, G. integer, Og G. ovisopis. Vi refererer til denne stammen som» pennsylvanicus-type » stamme. Av 39 infiserte prøver samplet fra sentrale Illinois, 38 næret pennsylvanicus-type stamme, mens en prøve gjennomført rubens-type stamme. En lokalitet 150 km sør, Farina, IL, viste en blanding av individer som var smittet med enten pennsylvanicus-type eller rubens-type stamme eller med begge deler. Av to prøver samplet Fra Ann Arbor, MI, en gjennomført rubens-type stamme, og den andre ble dobbelt infisert med pennsylvanicus – og rubens-type stammer. For befolkningen som ble samplet I London, Ontario, Canada, 215 km nordøst for Ann Arbor, av 19 infiserte individer, bar 10 pennsylvanicus-typen, en bar rubens-typen, og åtte ble dobbelt infisert med pennsylvanicus – og rubens-typen stammer (Fig. 3a). Dette polymorfe mønsteret fortsetter i eksemplarer Av G. pennsylvanicus samlet fra Vermont og Pennsylvania. I Virginia og North Carolina oppdaget vi bare personer som var smittet med enten pennsylvanicus-eller rubens-typen stammer. Befolkningen I G. pennsylvanicus I Nord-Amerika er en blanding av individer som er infisert med rubens-type eller pennsylvanicus-type samt personer som er dobbelt infisert med både stammer og personer som ikke er infisert (Fig. 3). Våre resultater så langt tyder på at i populasjoner Av G. pennsylvanicus i øst-Nord-Amerika, er rubens-type infeksjon på en høyere frekvens i nord enn i sør (Fig. 3a). Videre har vi funnet ut at i de fleste lokaliteter hvor begge stammer forekommer, er dobbelt infiserte individer også til stede (Fiken. 2 og 3a).Som et resultat av «stasjonen» forbundet med spredning av En Wolbachia – infeksjon (35), foreslår vi at den genetiske strukturen Av g. pennsylvanicus-populasjoner vi har samplet, unntatt Lethbridge, Canada, har blitt påvirket av tilstedeværelsen av rubens-og pennsylvanicus-Type Wolbachia-stammer. Derfor skal Vi referere Til g. pennsylvanicus-prøvene samlet i disse regionene Som Gryllus near (nr.) pennsylvanicus for å reflektere tvetydigheten av deres taksonomiske status pålagt av infeksjonstypene som finnes i disse populasjonene.

Vi har samplet G. dette er en Av de mest populære stedene I Lake Placid, FLORIDA, Usa. Trettito av de 35 prøvene som ble samplet fra disse lokalitetene, ble uinfisert. De tre smittede personene kom fra Gainesville, FL. To ble funnet å bære rubens-typen, og den tredje bar pennsylvanicus-Typen Wolbachia-stammen (Fiken. 2 og 3a). Dette funnet antyder at infeksjon av disse to bakteriestammer beveger seg inn i populasjonene Av G. firmus, spesielt i lys av Det Faktum At G. pennsylvanicus ikke er kjent Fra Gainesville, FL.Analyse av relasjonene mellom de ulike stammene vi har undersøkt Av Wolbachia I Gryllus arter ved hjelp av ftsz genet indikerer at heltall-og rubens-type stammer danner en monofyletisk gruppe og er ikke nært knyttet til pennsylvanicus-type stamme, som er basal til alle Andre B-gruppe Wolbachia stammer kjent så langt. Stammen Av Wolbachia rapportert Av Werren et al. (23) I G. pennsylvanicus er av rubens-type (Fig. 2).vi foreslår at infeksjonene i de ovennevnte medlemmene Av slekten Gryllus gir en forklaring på De observerte parringskompatibilitetene Oppnådd Av Smith Og Cade (17), Cade og Tyshenko (18) og Harrison (19) og peker på En Mulig rolle Av Wolbachia i arten av noen medlemmer av denne slekten. Toveis inkompatibilitet observert Mellom g. rubens og g. heltall er sannsynlig å være et resultat av infeksjon med de to forskjellige stammer Av Wolbachia funnet i disse to artene. Kompatibiliteten Til G. rubens Fra Florida Med G. heltall Fra Texas (17, 18) kan forklares fordi disse populasjonene bærer rubens-type bakterier. Våre data gir støtte Til Konklusjonen Av Smith Og Cade (17) at G. rubens og G. integer fra Texas kan være de samme artene, til tross for forskjeller i deres sanger av en grad som vanligvis brukes til å skille arter.Gitt At g. pennsylvanicus er infisert Med Wolbachia og G. firmus er vanligvis ikke, kryss som viser At g. pennsylvanicus menn er uforenlige Med G. firmus kvinner (19) kan tolkes som et resultat av cytoplasmatisk inkompatibilitet forårsaket Av Wolbachia. Vår tolkning er videre underbygget av mitokondriemønsteret observert i disse to populasjonene, nemlig At G. firmus og G. pennsylvanicus har forskjellige mitokondrielle typer som disse to populasjonene har blitt identifisert; selv Om G. pennsylvanicus mtDNA lett introgresses i befolkningen I G. firmus, forekommer det motsatte ikke (36). Dette mønsteret vil bli observert Hvis g. pennsylvanicus er infisert Med Wolbachia fordi flertallet av individer i hybridsonen ville være et resultat av avkom av infiserte kvinner, som i dette tilfellet ville bære G. pennsylvanicus mitokondriell type sammen med maternalt arvet Wolbachia infeksjon.

den ensrettede inkompatibiliteten Mellom G. ovisopis menn, som bærer rubens-typen bakterier, og g. firmus kvinner (t. Walker, personlig kommunikasjon) kan også tolkes i lys av denne infeksjonen. Mangelen på avkom fra kryss mellom menn Av G. pennsylvanicus og G. ovisopis med kvinner Av G. firmus indikerer at disse to stammene kan forårsake inkompatibilitet. Vi vet At G. ovisopis Og G. rubens bærer samme Wolbachia-stamme, så den sannsynlige årsaken til toveis inkompatibilitet observert mellom G. rubens og g. pennsylvanicus er de forskjellige Wolbachia-stammene de kan havne.Ved hjelp av ftsz-genet observerte vi 39 bp-forskjeller mellom pennsylvanicus – og rubens-type stammer, 41 forskjeller mellom pennsylvanicus – og heltallstypen, og 22 forskjeller mellom rubens-og heltallstypen. For en sammenligning, i samme gensegment, er det bare en grunnendring mellom de toveis inkompatible Wolbachia-stammene som finnes i Drosophila simulans Hawaii og D. simulans Riverside (23). Basert på dette bevis, så vel som på uforlikeligheter observert i matings mellom de respektive Gryllus arter, vi spår at rubens-, heltall -, og pennsylvanicus-type stammer er toveis uforenlig.hybridsonen Mellom g. pennsylvanicus og G. firmus utpekt Av Harrison og Arnold (20) er mer kompleks enn en art–art interaksjon. Noen av nettstedene som vi samplet langs Blue Ridge og Appalachian mountains viser en ujevn fordeling av infeksjonstyper innenfor G. pennsylvanicus populasjoner(Fig. 3a). Således, i denne regionen, mulige interaksjoner kan forekomme mellom populasjoner av uinfiserte G. firmus, G. nr. pennsylvanicus infisert med enten rubens – eller pennsylvanicus-Type Wolbachia og G. nr pennsylvanicus infisert med både rubens – og pennsylvanicus-Type Wolbachia stammer. Wolbachia-infeksjonen i Gryllus-arten nevnt og spesielt de flere infeksjonstypene som finnes I G. nr. pennsylvanicus befolkning indikerer at begrensning til genflyt kan forekomme i en populasjon på grunn av forskjeller i infeksjonstype. Den reproduktive suksessen til individer i disse populasjonene vil avhenge av deres infeksjonsprofil, så vel som individene de parrer seg med. Vårt konsept om hva som utgjør en art i slekten Gryllus må revurderes i lys Av Wolbachia-infeksjonene som de havner.

Infeksjoner med Wolbachia kan feie gjennom en populasjon som følge av fordelen som smittede kvinner har over uinfiserte kvinner (35). Gitt At G. pennsylvanicus Og G. firmus har vist seg å hybridisere i laboratoriet (19) og at det er bevis for hybridisering i feltet (21), den nåværende fordeling Av G. firmus kan tolkes som en relikt, fra et bredere område gjennom hvilket et feie av en infisert befolkning flyttet. En alternativ forklaring kan være flere infeksjonssteder med Samme Wolbachia-stamme, men vi har ingen informasjon om hvordan Wolbachia-bakterier overføres horisontalt over arter eller hvor ofte De er anskaffet. Derfor velger vi den mest parsimonious forklaringen, at infeksjonen oppsto på ett sted og deretter spredte seg. Faktisk tyder våre data på At Wolbachia-infeksjonene har en geografisk komponent, og at rubens-typen stammer fra sør hvor den dominerer (Fig. 3a). Men I G. nr. pennsylvanicus befolkningen i østlige Nord-Amerika, rubens-type infeksjon er utbredt i populasjoner samplet i nord. Disse lokaliteter er lengst poeng fra bestander Av Gryllus jevnt infisert med rubens-type stamme og langt fra alle rapporterte G. rubens populasjoner (Fig. 3 a og b). Vi foreslår at rubens-type infeksjon flyttet gjennom befolkningen I Gryllus som eksisterte i østlige Nord-Amerika før østover bevegelse av pennsylvanicus-type stamme.

i Grylluspopulasjonene kan dobbelt infiserte individer være et resultat av seleksjonstrykk i en populasjon der det finnes to bakteriestammer som er toveis inkompatible (Fig. 2 og 3a). I en slik situasjon, individer som er dobbelt infisert ville bli valgt fordi, hvis begge infeksjoner kan overleve i en cricket, hunnene ville være kompatibel med menn bærer enten bakteriell belastning. En tredje smittsom feie av dobbelt infiserte individer kan da følge gjennom befolkningen fordi dobbelt infiserte kvinner har en fordel over enkeltinfiserte kvinner, som bare kunne reproducere vellykket med menn smittet med samme Wolbachia-stamme. Flere infeksjoner har blitt rapportert fra en rekke insekt taxa (37-39), og dobbeltinfiserte menn har vist seg å være delvis eller helt uforenlige med enkeltinfiserte kvinner i andre insekter (37-41). Vi forutsier at doble infeksjoner kan forekomme i lokaliteter hvor enkeltinfeksjoner med To toveis inkompatible Stammer Av Wolbachia forekommer i samme eller svært nært beslektede taxa.

i en skjerm av tempererte insekt taxa ved HJELP AV PCR med spesifikke 16s rRNA primere, fant vi at 16% av 615 insekt taxa, fra et bredt utvalg av familier og ordrer, var infisert Med Wolbachia (Rg og Hr, upubliserte data), og lignende infeksjonsrater er oppnådd for tropiske insekter (42). Gitt denne infeksjonsfrekvensen, forutsier vi at andre insektshybrid soner vil bli funnet å være definert i det minste delvis Av Wolbachia-infeksjon og cytoplasmatisk inkompatibilitet. Noen insekter kan være mer utsatt for infeksjon Med Wolbachia som følge av deres naturlige historie. Spesiering innenfor disse gruppene må undersøkes med hensyn Til Rollen Som Wolbachia spiller.