Rolul bacteriilor Wolbachia în incompatibilitățile reproductive și în zonele hibride ale gândacilor Diabrotica și greierilor Gryllus

rezultate și discuții

Diabrotica este un gen nou de gândaci chrysomelid care este în primul rând Neotropical în distribuția sa și a cărui origine este probabil regiunea Americii de Sud centrale sau tropicale (28). Astăzi gama sa cuprinde cea mai mare parte a Statelor Unite la est de Munții Stâncoși și la nord de paralela 35, Statele Mexic la nord-vest de Durango (cu excepția Baja, CA), zonele sudice din Ontario, Canada și o introducere recentă în Europa de Est (29). Distribuția D. v. zeae cuprinde o zonă din Guatemala în centrul Mexicului în panhandle din Texas și părți din sudul Oklahoma (28). Producția extinsă de porumb ar fi putut, de asemenea, să faciliteze mișcarea D. v. zeae spre nord din Mexic, rezultând o regiune de contact secundar cu D. v. virgifera în nordul Texasului, unde subspecia hibridizează (13).

adulții din D. v. zeae eșantionați din Stephenville și Uvalde din sudul Texasului nu au fost infectați cu Wolbachia, în timp ce adulții din D. V. virgifera din 15 situri din Statele Unite și distribuția Canadiană A D. V. virgifera au dat rezultate pozitive pentru Wolbachia, cu excepția a două situri de la Duncan și Willcox, az. Douăzeci și unu de adulți din trei situri din zona hibridă North Texas au dat rezultate pozitive, inclusiv cinci exemplare cu modele de index în intervalul de variație al D. v. zeae (J. Comunicare personală Krysan). Secvențele genei Ftsz din Wolbachia de la indivizi singuri din Urbana, IL, Moriarty, NM și Blacksburg, VA, au fost identice. În plus, digestia cu DraI a fragmentului ftsZ obținut cu (i) primeri generali specifici B, (ii) ftsZf1 și (iii) ftsZr1 a indicat că populațiile de D. V. virgifera din toate locațiile eșantionate poartă aceeași tulpină de Wolbachia. O analiză filogenetică utilizând gena ARNr 16S a plasat această tulpină într-o poziție bazală cu o relație nerezolvată cu alte tulpini Wolbachia (rezultatele nu sunt prezentate). Gena ftsZ (23, 30) a identificat, de asemenea, Wolbachia din D. V. virgifera ca tulpină bazală și distinctă de majoritatea celorlalte tulpini din grupul A (Fig. 1). Având în vedere consistența infecției și tipul de tulpină pe toată distribuția D. V. virgifera, precum și răspândirea rapidă a acestei specii în America de Nord, sugerăm că infecția a avut loc în sud-vestul Statelor Unite sau nord-vestul Mexicului înainte de extinderea spre est a D. V. virgifera în Statele Unite și Canada. D. V neinfectat. populațiile virgifera din sudul Arizona pot fi rămășițele populației neinfectate originale sau ar putea reprezenta populații izolate care au pierdut infecția.

D. V. virgifera și D. v. zeae sunt morfologic foarte asemănătoare (13), cu excepția maculării elitrale negre care este distinctivă în D. V. virgifera și limitată la humerus sau este absentă în D. v. zeae. Subspeciile nu sunt izolate ecologic, deoarece ambele se găsesc pe porumb; nici nu sunt izolate temporar, deoarece au același mecanism diapause. Studiile comportamentale nu indică nicio barieră prematantă în calea reproducerii, deoarece ambele subspecii răspund la feromoni de același sex și nu s-a făcut nicio discriminare în timpul experimentelor de alegere a împerecherii (13). Când au fost încrucișate, cele două subspecii erau fertile într-o singură direcție, adică masculii D. v. zeae din centrul Mexicului s-au împerecheat cu femelele D. V. virgifera din Dakota de Sud, în timp ce crucea reciprocă a produs foarte puțini sau deloc descendenți viabili (14). Pentru a testa dacă incompatibilitatea unidirecțională este cauzată de infecția cu Wolbachia identificată în D. v. virgifera, am făcut încrucișări reciproce de la infectate și tratate cu tetraciclină D. V. virgifera. Rezultatele indică faptul că tulpina de Wolbachia care infectează D. V. virgifera este capabilă să inducă o incompatibilitate citoplasmatică severă, doar 0,4% din 5627 ouă eclozând atunci când masculii D. V. virgifera infectați au fost încrucișați cu femele D. V. virgifera neinfectate tratate cu tetraciclină (Tabelul 1, Crucea d).

de asemenea, am înființat o colonie de laborator de D. V. zeae cu specimene din Stephenville, TX, și a confirmat că femelele D. V. zeae încrucișate cu masculii D. V. virgifera produc foarte puțini sau deloc descendenți, în timp ce crucea reciprocă are ca rezultat o trapă normală a ouălor (tabelul 1, încrucișările F și H) (14). Când s-au repetat încrucișările folosind masculi D. V. virgifera tratați cu tetraciclină, incompatibilitatea nu a mai existat și s-au observat rate de eclozare a ouălor care nu au fost semnificativ diferite de controalele (Tabelul 1, Crucea g), confirmând că incompatibilitatea de împerechere unidirecțională dintre aceste două subspecii este cauzată de prezența Wolbachiei la D. V. virgifera.

incompatibilități reproductive similare au fost raportate, de asemenea, între unii membri ai genului Gryllus din America de Nord. Genul Gryllus este distribuit în cea mai mare parte a lumii, cu excepția Asiei de Est și a Pacificului (31). Pe baza numărului de specii, este posibil ca genul să provină din Lumea Nouă sau Africa, unde au fost înregistrate mai multe genuri similare cu Gryllus (32). În America de Nord, genul Gryllus are mai multe specii strâns legate, dintre care unele sunt dificil de distins numai pe baza caracterelor morfologice. La începutul secolului, acest grup a fost considerat o singură specie cu un grad ridicat de variabilitate (33). Lucrări ulterioare folosind în principal cântece de apel discriminate între unele specii (34).mai multe specii din genul Gryllus s-au dovedit a fi incompatibile unidirecțional sau bidirecțional. Incompatibilitatea unidirecțională dintre bărbații G. pennsylvanicus și femelele G. firmus din estul Statelor Unite (19) o reflectă pe cea a lui D. V. virgifera și D. v. zeae. Am constatat că, cu excepția G. firmus, exemplarele din toate speciile Gryllus pe care le-am studiat sunt de obicei infectate cu Wolbachia, uneori cu mai multe tulpini (Fig. 2 și 3). Incompatibilitățile raportate între diferitele specii din acest gen pot fi explicate prin infecția cu această bacterie. Studiul nostru a arătat următoarele modele de infecție. Populațiile de G. integer eșantionate din județul Humboldt, NV și județul Wayne, UT, sunt infectate cu aceeași tulpină de bacterii Wolbachia, la care ne referim ca „tip întreg.”Populația eșantionată în Davis, CA, de asemenea, a fost infectată cu tipul întreg, cu excepția unui individ care adăpostea aceeași tulpină de Wolbachia ca cea găsită în G. rubens, la care ne referim ca „tipul rubens”.”Populația eșantionată în Las Cruces, NM, a avut doi indivizi care au fost infectați cu tulpina Wolbachia de tip rubens și trei indivizi care au fost infectați de două ori cu tulpinile de tip rubens și întreg. Populațiile întregi G. Din Austin și Dallas, TX, au adăpostit, de asemenea, aceeași tulpină bacteriană, care, pe baza genei 16S rRNA și a genei ftsZ, pare identică cu cea găsită în G. rubens Din Lake Placid și Gainesville, FL. Această tulpină de tip rubens apare și la exemplarele de G. ovisopis prelevate din Gainesville. Am putut obține doar specimene de G. assimilis din culturile de laborator ale lui T. Walker și T. Zera; ultima cultură a fost derivată din colonia lui T. Walker. Indivizii din ambele culturi au fost infectați cu aceeași tulpină a cărei secvență pentru gena ftsZ a fost identică cu tulpina Wolbachia de tip rubens. Secvența fragmentului genei ARNr 16S indică faptul că tulpina din această specie are o transversie la poziția E. coli 380 de la o guanină la o timină, care în E. coli corespunde primei poziții din bucla tetra GCAA. În tulpina de tip” assimilis”, bucla este compusă din TAAA. Această transversiune nu se găsește în nicio altă secvență ARNr Wolbachia 16S cunoscută până în prezent.

populația de G. pennsylvanicus prezintă un model mai complex de infecție. În cea mai mare parte a distribuției pe care am eșantionat-o, G. pennsylvanicus este polimorf pentru tipul de infecție. O populație eșantionată în Lethbridge, Alberta, Canada, a arătat prezența unei tulpini Wolbachia diferite de cele găsite în G. rubens, G. assimilis, G. integer și G. ovisopis. Ne referim la această tulpină ca tulpina de tip „pennsylvanicus”. Din cele 39 de exemplare infectate prelevate din Centrul Illinois, 38 adăposteau tulpina de tip pennsylvanicus, în timp ce un exemplar purta tulpina de tip rubens. O localitate aflată la 150 km spre sud, Farina, IL, a arătat un amestec de indivizi care au fost infectați fie cu tulpina de tip pennsylvanicus, fie cu tulpina de tip rubens, fie cu ambele. Din două exemplare prelevate din Ann Arbor, MI, unul a purtat tulpina de tip rubens, iar celălalt a fost infectat de două ori cu tulpinile de tip pennsylvanicus și rubens. Pentru populația prelevată din Londra, Ontario, Canada, la 215 km nord-est de Ann Arbor, din 19 persoane infectate, 10 purtau tipul Pennsylvania, unul purta tipul rubens și opt erau dublu infectați cu tulpinile de tip Pennsylvania și rubens (Fig. 3a). Acest model polimorf continuă la exemplarele de G. pennsylvanicus colectate din Vermont și Pennsylvania. În Virginia și Carolina de Nord, am detectat doar indivizi care au fost infectați fie cu tulpini de tip pennsylvanicus, fie cu tulpini de tip rubens. Populația din G. pennsylvanicus în America de Nord este un amestec de indivizi care sunt infectați cu tipul rubens sau Pennsylvania, precum și indivizi care sunt dublu infectați atât cu tulpini, cât și cu indivizi care nu sunt infectați (Fig. 3). Rezultatele noastre de până acum indică faptul că, la populațiile de G. pennsylvanicus din estul Americii de Nord, infecția de tip rubens este la o frecvență mai mare în nord decât în sud (Fig. 3a). Mai mult, am constatat că, în majoritatea localităților în care apar ambele tulpini, sunt prezenți și indivizi dublu infectați (Fig. 2 și 3a).

ca urmare a „impulsului” asociat cu răspândirea unei infecții cu Wolbachia (35), propunem ca structura genetică a populațiilor de G. pennsylvanicus pe care le – am prelevat, cu excepția Lethbridge, Canada, să fi fost afectată de prezența tulpinilor de Wolbachia de tip rubens și pennsylvanicus. Prin urmare, ne vom referi la probele de G. pennsylvanicus colectate în aceste regiuni ca Gryllus near (nr.) pennsylvanicus pentru a reflecta ambiguitatea statutului lor taxonomic impus de tipurile de infecții găsite la aceste populații.

am eșantionat G. firmus din Gainesville și stația biologică Archbold din Lacul Placid, FL, și din Fort Fischer, NC. Treizeci și două din cele 35 de exemplare prelevate din aceste localități au fost neinfectate. Cei trei indivizi infectați au venit Din Gainesville, FL. S-a constatat că doi purtau tipul rubens, iar al treilea purta tulpina Wolbachia de tip pennsylvanicus (Fig. 2 și 3a). Această constatare sugerează că infecția acestor două tulpini de bacterii se deplasează în populațiile de G. firmus, în special în lumina faptului că G. pennsylvanicus nu este cunoscut din Gainesville, FL.

analiza relațiilor dintre diferitele tulpini pe care le – am examinat de Wolbachia la specia Gryllus folosind gena ftsZ indică faptul că tulpinile de tip întreg și rubens formează un grup monofiletic și nu sunt strâns legate de tulpina de tip pennsylvanicus, care este bazală tuturor celorlalte tulpini de Wolbachia din grupa B cunoscute până în prezent. Tulpina de Wolbachia raportată de Werren și colab. (23) în G. pennsylvanicus este de tip rubens (Fig. 2).

propunem ca infecțiile din membrii de mai sus ai genului Gryllus să ofere o explicație pentru incompatibilitățile de împerechere observate obținute de Smith și Cade (17), Cade și Tyshenko (18) și Harrison (19) și să indice un posibil rol al Wolbachiei în speciația unor membri ai acestui gen. Incompatibilitatea bidirecțională observată între G. rubens și G. integer este probabil rezultatul infecției cu cele două tulpini diferite de Wolbachia găsite la aceste două specii. Compatibilitatea lui G. rubens din Florida cu G. întreg din Texas (17, 18) poate fi explicat deoarece aceste populații poartă bacteriile de tip rubens. Datele noastre susțin concluzia lui Smith și Cade (17) că G. rubens și G. integer din Texas pot fi aceleași specii, în ciuda diferențelor în cântecele lor de un grad folosit de obicei pentru a diferenția speciile.

având în vedere că G. pennsylvanicus este infectat cu Wolbachia, iar G. firmus nu este de obicei, încrucișările care arată că masculii G. pennsylvanicus sunt incompatibili cu femelele G. firmus (19) pot fi interpretate ca rezultate din incompatibilitatea citoplasmatică cauzată de Wolbachia. Interpretarea noastră este fundamentată în continuare de tiparul mitocondrial observat la aceste două populații, și anume că G. firmus și G. pennsylvanicus au tipuri mitocondriale distincte prin care aceste două populații au fost identificate; cu toate acestea, deși G. pennsylvanicus mtDNA intră ușor în populația lui G. firmus, inversul nu apare (36). Acest model ar fi observat dacă G. pennsylvanicus este infectat cu Wolbachia, deoarece majoritatea indivizilor din zona hibridă ar fi rezultatul descendenței femelelor infectate, care în acest caz ar purta G. tipul mitocondrial pennsylvanicus împreună cu infecția cu Wolbachia moștenită matern.

incompatibilitatea unidirecțională dintre masculii G. ovisopis, care poartă bacteriile de tip rubens, și femelele G. firmus (T. Walker, comunicare personală) poate fi interpretată și în lumina acestei infecții. Lipsa descendenților din încrucișările dintre masculii de G. pennsylvanicus și G. ovisopis cu femelele de G. firmus indică faptul că aceste două tulpini ar putea provoca incompatibilitate. Știm că G. ovisopis și G. rubens poartă aceeași tulpină Wolbachia, astfel încât cauza probabilă a incompatibilității bidirecționale observate între G. rubens și G. pennsylvanicus este diferitele tulpini Wolbachia pe care le pot adăposti.

folosind gena ftsZ, am observat 39 de diferențe bp între tulpinile de tip pennsylvanicus și rubens, 41 de diferențe între tulpinile de tip pennsylvanicus și întreg și 22 de diferențe între tulpinile de tip rubens și întreg. Pentru o comparație, în același segment de gene, există o singură schimbare de bază între tulpinile Wolbachia incompatibile bidirecțional găsite în Drosophila simulans Hawaii și D. simulans Riverside (23). Pe baza acestor dovezi, precum și a incompatibilităților observate în împerecherile dintre speciile respective de Gryllus, prezicem că tulpinile de tip rubens, integer și pennsylvanicus sunt incompatibile bidirecțional.

zona hibridă dintre G. pennsylvanicus și G. firmus desemnată de Harrison și Arnold (20) este mai complexă decât o interacțiune specie–specie. Unele dintre siturile pe care le-am prelevat de-a lungul Blue Ridge și Munții Appalachian prezintă o distribuție neuniformă a tipurilor de infecții în cadrul populațiilor G. pennsylvanicus (Fig. 3a). Astfel, în această regiune, pot apărea posibile interacțiuni între populațiile de G. firmus neinfectate, G. nr. pennsylvanicus infectate fie cu Wolbachia de tip rubens, fie cu pensylvanicus și cu tulpini de Wolbachia de tip G. nr. Infecția cu Wolbachia la specia Gryllus menționată și în mod specific multiplele tipuri de infecții întâlnite la G. nr. populația pennsylvanicus indică faptul că restricția la fluxul genetic poate apărea în cadrul unei populații din cauza diferențelor de tip de infecție. Succesul reproductiv al indivizilor din aceste populații va depinde de profilul lor de infecție, precum și de cel al indivizilor cu care se împerechează. Conceptul nostru despre ceea ce constituie o specie din genul Gryllus trebuie reevaluat în lumina infecțiilor cu Wolbachia pe care le adăpostesc.

infecțiile cu Wolbachia pot trece printr-o populație ca urmare a avantajului pe care îl au femelele infectate față de femelele neinfectate (35). Având în vedere că G. s-a demonstrat că pennsylvanicus și G. firmus hibridizează în laborator (19) și că există dovezi pentru hibridizare în câmp (21), distribuția actuală a G. firmus poate fi interpretată ca una relict, dintr-o zonă mai largă prin care s-a mutat o măturare a unei populații infectate. O explicație alternativă ar putea fi mai multe site-uri de infecție cu aceeași tulpină Wolbachia, dar nu avem informații despre modul în care bacteriile Wolbachia sunt transmise orizontal între specii sau frecvența cu care sunt dobândite. Prin urmare, alegem cea mai parsimonioasă explicație, că infecția a apărut într-o singură locație și sa răspândit ulterior. Într-adevăr, datele noastre sugerează că infecțiile cu Wolbachia au o componentă geografică și că tipul rubens își are originea în sud, unde predomină (Fig. 3a). Cu toate acestea, în populația G. nr. pennsylvanicus din estul Americii de Nord, infecția de tip rubens este predominantă în populațiile eșantionate în nord. Aceste localități sunt cele mai îndepărtate puncte de populațiile de Gryllus infectate uniform cu tulpina de tip rubens și departe de orice g raportat. populațiile rubens (Fig. 3 a și b). Propunem ca infecția de tip rubens să se deplaseze prin populația din Gryllus care a existat în estul Americii de Nord înainte de mișcarea spre est a tulpinii de tip pennsylvanicus.

în populațiile Gryllus, indivizii dublu infectați pot fi rezultatul presiunii de selecție într-o populație în care există două tulpini bacteriene care sunt incompatibile bidirecțional (Fig. 2 și 3a). Într-o astfel de circumstanță, indivizii care sunt dublu infectați ar fi selectați pentru că, dacă ambele infecții pot supraviețui într-un singur greier, femelele ar fi compatibile cu bărbații care poartă fie tulpina bacteriană. O a treia măturare infecțioasă a indivizilor dublu infectați ar putea rezulta apoi prin populație, deoarece femelele dublu infectate au un avantaj față de femelele singure infectate, care s-ar putea reproduce cu succes doar cu bărbații infectați cu aceeași tulpină Wolbachia. Au fost raportate infecții Multiple de la o varietate de taxoni de insecte (37-39), iar masculii infectați dublu s-au dovedit a fi parțial sau complet incompatibili cu femelele infectate individual la alte insecte (37-41). Prezicem că infecțiile duble ar putea apărea în localitățile în care infecțiile unice cu două tulpini de Wolbachia incompatibile bidirecțional apar în aceiași taxoni sau foarte strâns legați.

într-un ecran de taxoni de insecte temperate folosind PCR cu primeri specifici 16S rRNA, am constatat că 16% din 615 taxoni de insecte, dintr-o mare varietate de familii și ordine, au fost infectați cu Wolbachia (R. G. și H. M. R., date nepublicate) și rate similare de infecție au fost obținute pentru insectele tropicale (42). Având în vedere această frecvență a infecției, prezicem că alte zone hibride de insecte vor fi găsite a fi definite cel puțin parțial de infecția cu Wolbachia și incompatibilitatea citoplasmatică. Unele genuri de insecte pot fi mai predispuse la infecții cu Wolbachia ca o consecință a istoriei lor naturale. Speciația din cadrul acestor grupuri trebuie examinată în ceea ce privește rolul jucat de Wolbachia.