Wolbachia im Artbildungsprozess von Rhagoletis Fruchtfliegen

Die Entstehung neuer Arten ist ein fundamentaler Prozess, der zur Biodiversität der Erde beiträgt. Ursache für die Bildung neuer Arten ist einerseits die Unterbindung des Genflusses zweier Populationen durch geographische Isolierung und andererseits die Adaptierung an unterschiedliche ökologische Nischen. Eine weitere, wenn auch umstrittene Rolle in der Entstehung zweier Arten spielt das endosymbiontische Bakterium Wolbachia. Wolbachia ist ein weit verbreitetes Bakterium, das die Reproduktion und das Verhalten von Insekten beeinflusst. Dies kann zu einer pre- und postzygotischen Isolation und schlussendlich zur Bildung zweier Arten führen. Fruchtfliegen der Gattung Rhagoletis, die von unterschiedlichen Wolbachia-Stämmen befallen sind, bieten eine hervorragende Möglichkeit, die Einflussnahme des Bakteriums auf die Artbildung zu untersuchen. Rhagoletis-Arten haben unterschiedliche evolutionsbiologische Vergangenheiten, die von klassischer allopatrischer bis hin zu sympatrischer Artbildung reicht. Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der Rolle des endosymbiontischen Bakteriums Wolbachia im Artbildungsprozess von Rhagoletis Fruchtfliegen. Kernthema dieses Projektantrages ist die genetische Charakterisierung von Wolbachia in unterschiedlichen Populationen der allopatrisch gebildeten R. suavis und der sympatrisch gebildeten R. pomonella Artgruppe. Da sich bakteriell verursachte reproduktive Isolationen sehr wahrscheinlich allopatrisch entwickelten, vermute ich, dass sympatrische Arten mit noch bestehendem Genfluss die selben Bakterien enthalten, während geographisch getrennte Arten von genetisch unterschiedlichen Wolbachia Stämmen befallen sind. Dieses Projekt soll zum einen neue Erkenntnisse über die horizontale Übertragung von Wolbachia zwischen verschiedenen Arten und zum anderen neue Einsichten in die Evolution dieser Bakterien in geographisch getrennten Populationen liefern. Abschließend soll die Charakterisierung der Wolbachia Infektionen von unterschiedlichen Rhagoletis-befallenden Parasitoiden zeigen, ob diese mögliche Vektoren horizontaler Wolbachia-Übertragungen sind. Weiters sollen sowohl die unterschiedlichen Rhagoletis-Arten als auch deren Parasitoide auf zusätzliche Endosymbionten untersucht werden. Da diese umfangreiche Studie mittels konventioneller Methoden nicht möglich wäre, soll hier eine Kombination aus herkömmlicher Sanger- und neuartiger next generation Sequenzierung zu einer detaillierten genetischen Charakterisierung der unterschiedlichen Bakterien verhelfen. Die aktive Rolle von Wolbachia in der reproduktiven Isolation dieser Rhagoletis-Arten kann nur durch das Entfernen des Bakteriums und der anschließenden Kreuzung von Wolbachia-freien Fliegen bewiesen werden. Folglich stellt die Ausarbeitung einer Antibiotika-Behandlung, die eine Eliminierung des Bakteriums aus den Fliegen ermöglicht, ein weiteres Ziel dieses Projektes dar.

Bakterielle Endosymbionten können eine wichtige Rolle in der Ökologie und Evolution von Insekten spielen. Einen möglichen Einfluss auf die Entstehung zweier Arten hat das endosymbiontische Bakterium Wolbachia. Wolbachia ist ein weit verbreitetes Bakterium, das die Reproduktion und das Verhalten von Insekten beeinflusst. Cytoplasmatische Inkompatibilität zwischen Populationen, die mit unterschiedlichen Bakterienstämmen infiziert sind, kann zu reproduktiver Isolation führen und schlussendlich die Bildung zweier Arten initiieren. Ziel dieses Erwin-Schrödinger-Projektes war die genetische Charakterisierung von Wolbachia in unterschiedlichen Populationen von Rhagoletis und die Untersuchung einer möglichen Rolle dieser Endosymbionten in der Artbildung der Fruchtfliegen. Um Wolbachia effizient genetisch zu charakterisieren, haben wir die Restriction Site associated DNA sequencing (RADseq) Methode adaptiert. Das Amplifizieren und Anreichern bestimmter Wolbachia DNA-Fragmente und die anschließende Illumina-Sequenzierung ermöglicht eine hochauflösende Wolbachia-Charakterisierung in einer Vielzahl von Individuen. Mit dieser Methode beschrieben wir Wolbachia in unterschiedlichen Populationen der Apfelfruchtfliege Rhagoletis pomonella und deren Geschwisterarten in den USA und Mexiko. Während alle Individuen mit dem selben Bakterium infiziert sind, fanden wir Populationen im zentralen Hochland von Mexiko, die einen zusätzlichen Bakterienstamm enthalten. Ein ähnliches Bild fanden wir in zwei Kirschfruchtfliegen-Arten: In allen Populationen in Nordamerika konnten wir denselben Wolbachia-Stamm finden, während Populationen vom Südwestern der USA und Mexiko von einem weiteren Stamm und Populationen in Zentral Washington von einem dritten Stamm befallen sind. Ein Kreuzungsexperiment zeigte geringe Schlupfraten in Kreuzungen mit Männchen vom Südwesten der USA mit einfach-infizierten Weibchen, was auf eine Wolbachia-induzierte cytoplasmatische Inkompatibilität hinweist. Darüberhinaus beschrieben wir die Ausbreitung eines Wolbachia-Stammes in der Europäischen Kirschfruchtfliege Rhagoletis cerasi, charakterisierten Wolbachia in Parasitoiden, die unterschiedliche Rhagoletis Arten befallen und beschrieben die mikrobielle Gemeinschaft in R. pomonella. Wir fanden einen weiteren Endosymbionten Spiroplasma in R. pomonella und deren Geschwisterarten und beschrieben Wolbachia in der Gallwespe Belonocnema traetae.