Artbildung und Isolationsbarrieren bei einer parasitoiden Wespe mit dem Fokus auf der Rolle von reproduktiver Isolation durch Endosymbionten

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-22616
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2024/2261/

pdf-Format:		Dokument 1.pdf (2.761 KB)
Dokument in Google Scholar suchen:
Social Media:
Export:
Abrufstatistik:
SWD-Schlagwörter:		Artbildung
Freie Schlagwörter (Deutsch):		kryptische Arten , Artabgrenzung , Lariophagus distinguendus , Spiroplasma , cytoplasmatische Inkompatibilität
Freie Schlagwörter (Englisch):		cryptic species , species delimitation , Lariophagus distinguendus , Spiroplasma , cytoplasmic incompatibility
Institut:		Institut für Biologie
Fakultät:		Fakultät Naturwissenschaften
DDC-Sachgruppe:		Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart:		Dissertation
Hauptberichter:		Steidle, Johannes L. M. Prof. Dr.
Sprache:		Englisch
Tag der mündlichen Prüfung:		19.10.2023
Erstellungsjahr:		2023
Publikationsdatum:		10.01.2024
Lizenz:		Veröffentlichungsvertrag mit der Universitätsbibliothek Hohenheim ohne Print-on-Demand
Kurzfassung auf Englisch:		Hymenoptera are one of the most speciose animal taxa, presumably caused by a high rate of speciation. The investigation of evolutionary processes is predominantly based on the biological species concept (BSC), which defines species as groups of interbreeding individuals which are reproductively isolated from individuals of other groups. As an alternative approach, species are delimitated by predetermined threshold distances in the so-called barcode segment of the mitochondrial COI gene. Many arthropods are infected with endosymbiotic bacteria, some of which have been shown to manipulate their hosts’ reproduction via mechanisms like cytoplasmic incompatibility (CI). It occurs between infected males and uninfected females and results in the reduction or absence of diploid offspring. Due to their ability to interfere with the reproduction of their hosts, endosymbionts have been suggested to be potential drivers of their hosts’ speciation processes. Lariophagus distinguendus is a parasitoid wasp which uses larvae of multiple coleopteran species as hosts. In past studies, two distinct species of L. distinguendus have been discovered. They are separated by different barriers including unidirectional CI caused by an unknown bacterium. Here, the nature of the CI inducer in crosses between untreated males and tetracycline-treated females of the L. distinguendus strain STU was investigated. Additionally, diversity and speciation processes were investigated within the L. distinguendus species complex by constructing phylogenetic trees with COI and nuclear genes as well as by conducting crossing experiments with different strain combinations. The bacterium Spiroplasma, termed sDistinguendus (sDis) for its L. distinguendus host, was identified to be the causative agent of this CI. Despite being known for multiple types of interactions with various hosts, Spiroplasma had not been demonstrated to cause CI before. None of the other bacteria identified within STU were associated with CI and none of the known CI inducers and other bacteria manipulating reproduction were found. The potential for maternal transmission was shown by the presence of sDis in the ovaries of STU females. Transferring sDis and CI from infected to uninfected STU females via hemolymph microinjection solidified the connection between CI and sDis. The simplicity of this transfection technique could prove to be valuable for applicable purposes in future. CI strength varying between male offspring of the injected females was not linked to the titer of sDis. All available L. distinguendus strains were analyzed with the barcode segment of COI as well as five nuclear genes to infer their phylogenetic relationships. Furthermore, five pairs of strains covering a gradient of genetic divergence were selected for crossing experiments investigating their reproductive isolation. The nuclear genes recovered two clusters identical to the previously known species, whereas three distinct clusters were found based on barcoding. These three clusters were revealed as separate species due to very high to complete reproductive isolation in crossing experiments between strains representing each of them. Threshold values of COI distances commonly used for species delimitation relying predominantly on barcodes, i.e. 2% to 2.2%, were shown to be not applicable for L. distinguendus due to the divergence between strains of the same species exceeding these thresholds. This calls the faith in these pre-set thresholds and the barcode-only approach to species delimitation into question and suggests the consideration of additional data along with those obtained by barcoding for species delimitation. Reproductive isolation between the strains was found to span a continuum of divergence from no reproductive isolation and low genetic divergence to complete isolation and high genetic divergence. The first barrier, present in all strain pairs, was sexual isolation, ranging from weak and unidirectional to complete and near complete in both directions. In the untreated cross between BIR females and STU males, sDis-induced CI was present along with sexual isolation. The reduced fertility of hybrid males was the next barrier to appear in the three more distantly related strain pairs along with behavioral sterility of hybrid females in the one strain pair among them where it was measured. These barriers were followed by the behavioral sterility, inviability, and physiological sterility of hybrid males and as last barrier by the reduced fertility of hybrid females. Due to the majority of barriers affecting hybrid males, but not females, speciation in L. distinguendus follows Haldane’s rule, stating that a fitness loss present in the hybrids of only one sex will be affecting the heterogametic sex, i.e. the males in L. distinguendus. In conclusion, the CI between infected males and uninfected females of L. distinguendus was found to be caused by Spiroplasma, termed sDis, marking the first time for CI to be demonstrated as phenotype of Spiroplasma. It was also one reproductive barrier present in crossings of different L. distinguendus strains, apparently contributing to their divergence. The diversity within the L. distinguendus species complex was shown to be greater than detected before, as seen by the discovery of a third species. The studied pairs of strains covered a wide range of both genetic divergence and strength of reproductive isolation, suggesting L. distinguendus to be currently in the process of ongoing speciation. The commonly used threshold distances in COI were not applicable for species delimitation in L. distinguendus, challenging their unconditional use.
Kurzfassung auf Deutsch:		Hymenoptera sind eines der artenreichsten Taxa im Tierreich, was vermutlich durch eine hohe Artbildungsrate verursacht wird. Die Untersuchung evolutionärer Prozesse beruht hauptsächlich auf dem biologischen Artkonzept, welches Arten als Gruppen von Individuen definiert, die sich untereinander paaren, aber von den Individuen aus anderen Gruppen reproduktiv isoliert sind. Bei einer alternativen Methode werden Arten durch feste Schwellenwerte in der Divergenz des sogenannten Barcodeabschnittes des mitochondrialen COI-Gens abgegrenzt. Viele Arthropoden sind mit endosymbiontischen Bakterien infiziert, von denen einige die Fortpflanzung ihrer Wirte durch Mechanismen wie zytoplasmatische Inkompatibilität (CI) manipulieren können. Diese tritt zwischen infizierten Männchen und nichtinfizierten Weibchen auf und führt zu einer Reduzierung oder dem Ausbleiben von diploiden Nachkommen. Aufgrund ihrer Fähigkeit, in die Fortpflanzung ihrer Wirte eingreifen zu können, wurde vorgeschlagen, dass Endosymbionten potentiell die Artbildungsprozesse ihrer Wirte antreiben könnten. Lariophagus distinguendus ist eine parasitoide Wespe, die die Larven verschiedener Käferarten als Wirte nutzt. In früheren Untersuchungen wurden innerhalb von L. distinguendus zwei getrennte Arten entdeckt. Sie sind durch verschiedene Barrieren, darunter einseitige CI, die durch ein unbekanntes Bakterium ausgelöst wird, voneinander getrennt. In dieser Arbeit wurde der Auslöser der CI in Kreuzungen zwischen unbehandelten Männchen und Tetrazyklin-behandelten Weibchen des STU-Stammes von L. distinguendus untersucht. Außerdem wurden die Diversität und die Artbildung innerhalb des Artkomplexes von L. distinguendus weiter untersucht, indem Stammbäume mit COI und mit nuklearen Genen erstellt und mit verschiedenen Stammkombinationen Kreuzungsversuche durchgeführt wurden. Das Bakterium Spiroplasma, nach seinem Wirt L. distinguendus sDistinguendus (sDis) genannt, wurde als Verursacher der CI identifiziert. Obwohl es für verschiedene Arten der Interaktion mit unterschiedlichen Wirten bekannt war, war bisher noch nicht gezeigt worden, dass Spiroplasma CI verursacht. Keines der anderen Bakterien, die in STU vorhanden waren, war mit CI assoziiert und keines der bekannten CI-auslösenden Bakterien und anderen Bakterien, die für reproduktive Manipulationen bekannt sind, wurde in STU gefunden. Das Vorkommen von sDis in den Ovarien von STU-Weibchen zeigte das Potential für maternale Transmission. Durch den Transfer von sDis und CI von infizierten zu nichtinfizierten STU-Weibchen mittels Hämolymph-Mikroinjektion wurde die Verbindung zwischen CI und sDis bestätigt. Die Unkompliziertheit dieser Transfektionsmethode könnte zukünftig für angewandte Zwecke wertvoll sein. Unterschiede in der Stärke der CI zwischen männlichen Nachkommen der injizierten Weibchen hingen nicht mit dem Titer von sDis zusammen. Alle verfügbaren L. distinguendus Stämme wurden mit dem Barcodesegment von COI und fünf nuklearen Genen analysiert, um ihre phylogenetischen Beziehungen zu ermitteln. Außerdem wurden fünf Paare von Stämmen, die einen Gradienten genetischer Divergenz abdecken, ausgewählt, um mit Kreuzungsversuchen ihre reproduktive Isolation zu untersuchen. Mit den nuklearen Genen wurden zwei Cluster erstellt, die mit den bereits bekannten Arten übereinstimmten, während durch das Barcoding drei Cluster gefunden wurden. Diese drei Cluster stellten sich als separate Arten heraus, da Kreuzungsversuche sehr hohe bis vollständige reproduktive Isolation zwischen den Stämmen, die sie repräsentierten, zeigten. Die Schwellenwerte der Unterschiede in COI, die bei Artabgrenzungen, die hauptsächlich auf Barcodes beruhen, häufig verwendet werden, nämlich 2% bis 2.2%, waren bei L. distinguendus nicht geeignet, da der Unterschied zwischen zwei Stämmen derselben Art diese Werte überstieg. Dieses Ergebnis stellt das Vertrauen in diese festgelegten Schwellenwerte und die alleine auf dem Barcoding basierende Vorgehensweise für Artabgrenzungen in Frage und legt die Berücksichtigung zusätzlicher Daten zu denen des Barcodings für die Artabgrenzung nahe. Die reproduktive Isolation zwischen den Stämmen umfasste ein Kontinuum an Divergenz von keiner reproduktiven Isolation und geringen genetischen Unterschieden bis hin zu vollständiger Isolation und hohen genetischen Unterschieden. Die erste Barriere, die in allen Paaren von Stämmen vorhanden war, war sexuelle Isolation, die von schwach und einseitig zu vollständig bzw. fast vollständig in beiden Richtungen reichte. In den Kreuzungen zwischen unbehandelten BIR-Weibchen und STU-Männchen trat neben sexueller Isolation auch durch sDis ausgelöste CI auf. Die reduzierte Fertilität hybrider Männchen, die in den drei Paaren von Stämmen mit der höchsten genetischen Distanz auftrat, bildete die nächste Barriere zusammen mit einer Verhaltenssterilität in dem einen dieser drei Paare, in dem sie untersucht wurde. Es folgten Verhaltenssterilität, reduzierte Lebensfähigkeit und physiologische Sterilität in hybriden Männchen. Die zuletzt auftretende Barriere war die reduzierte Fertilität der hybriden Weibchen. Da die meisten Barrieren die hybriden Männchen, aber nicht die Weibchen betrafen, folgt die Artbildung in L. distinguendus „Haldane’s rule“, welche besagt, dass, wenn ein Fitnessverlust in den Hybriden von nur einem Geschlecht auftritt, dieses das heterogametische Geschlecht ist, was in L. distinguendus die Männchen sind. Schlussfolgernd kann festgehalten werden, dass die CI zwischen infizierten Männchen und nichtinfizierten Weibchen von L. distinguendus durch Spiroplasma, genannt sDis, ausgelöst wird. Dies ist das erste Mal, dass CI als Phänotyp von Spiroplasma entdeckt wurde. CI war außerdem eine Barriere in Kreuzungen zwischen verschiedenen Stämmen von L. distinguendus, womit sie zu deren Auseinanderentwicklung beiträgt. Es wurde gezeigt, dass die Diversität im Artkomplex von L. distinguendus größer ist als zuvor bekannt war, da eine dritte zugehörige Art entdeckt wurde. Die untersuchten Paare von Stämmen deckten ein breites Spektrum von genetischer Divergenz sowie Stärke von reproduktiver Isolation ab, was darauf hindeutet, dass L. distinguendus sich aktuell in einem Prozess steter Artbildung befindet. Die häufig genutzten Schwellenwerte der COI Unterschiede waren für die Artabgrenzung von L. distinguendus nicht geeignet, was deren uneingeschränkte Benutzung hinterfragen lässt.

© 1996 - 2016 Universität Hohenheim. Alle Rechte vorbehalten.  10.01.24