Wolbachia in Rhagoletis cerasi

Forschungsprojekt P 14024Wolbachia in Rhagoletis cerasiChristian STAUFFER24.01.2000 In Kreuzungsversuchen verschiedener Populationen der Kirschfruchtfliege Rhagoletis cerasi wurden unidirektionale Inkompatibilitäten entdeckt. Paarungen von Weibchen nördlicher mit Männchen südlicher Herkünfte hatten im Vergleich zu den reziproken Varianten keine Nachkommen. Mit Hilfe der PCR Technik wurden in allen untersuchten mitteleuropäischen Individuen Wolbachia gefunden. Das Proteobakterium Wolbachia kann cytoplasmatischo Inkompatibilität verursachen, wenn Insekten mit unterschiedlichem Infekionsstatus gekreuzt werden. In allen südwestlichen R. cerasi Populationen konnten anhand von Sequenzanalysen und RFLP Infektionen mit zwei unterschiedlichen Wolbachia Stämmen festgestellt werden. Nordöstliche Herkünfte hingegen wiesen nur eine Infektion mit einem der beiden gefundenen Stämme auf. In diesem Projekt soll der Typus der cytoplasmischen Inkompatibilität von Wolbachia in R. cerasi charakterisiert werden. Die derzeitige Verbreitung der beiden Wolbachia Stämme in Europa, soll festgestellt werden, um danach zwei Transekte durch die Inkompatibilitätszone legen zu können. Kreuzungsexperimente sollen die, Stärke der cytoplasmischen Inkompatibilität, die Transmissionsrate und die Segregation beider Wolbachiastämme zeigen. Schließlich soll Wolbachiastämme zeigen. Schließlich soll Wolbachia von R. cerasi anhand von Transinfektionsversuchen mit einem nah verwandten Wolbachia Stamm aus Drosophila simulans von Coffs Harbour verglichen werden.

Wolbachia (a-Proteobacteria) ist ein intrazellulär lebendes, maternal vererbtes Bakterium, das häufig mit Arthropoden- und Nematodenarten vergesellschaftet ist. Infektionen breiten sich durch verschiedene Mechanismen in Wirtspopulationen aus, u.a. durch cytoplasmatische Inkompatibilität (CI). CI führt zu embryonaler Mortalität befruchteter Eier und tritt auf, wenn sich infizierte Männchen mit nicht infizierten Weibchen oder Weibchen paaren, welche mit einem anderen Wolbachia Stamm infiziert sind. In Populationen der Kirschfruchtfliege Rhagoletis cerasi (Diptera, Tephritidae) wurden Infektionen mit zwei verschiedenen Wolbachia Stämmen, wCer1 und wCer2 entdeckt. Infektionen mit wCer1 sind in allen europäischen Populationen fixiert, und Doppelinfektionen mit beiden Stämmen, wCer1&2, kamen in Süd- und Zentraleuropa vor. Starke unidirektionale CI wurde bereits in den 1970er Jahren zwischen Populationen aus Süd - Zentraleuropa und umgebenden Populationen entdeckt. Die Übereinstimmung der Inkompatibilitäts- und der Wolbachia Infektionstypenverteilung deutete darauf hin, dass wCer2 die unidirektionale CI in R. cerasi verursachte. Ein näherer Vergleich der geographischen Verteilungen ermöglichte die Aussage, dass die wCer1&2 Infektion in einige, ursprünglich wCer1 infizierte Gebiete vorgedrungen ist, was somit der erste Beweis der Ausbreitung einer Wolbachia Doppelinfektion in bereits infizierten Populationen war. In einigen Gebieten konnte sich wCer1&2 über 350 km in 25 Jahren ausbreiten. In anderen Gebieten jedoch wurde der Vormarsch von wCer1&2 von Verbreitungsbarrieren behindert. Ergebnisse wiesen darauf hin, dass es regionale Isolierung zwischen wCer1 und wCer1&2 infizierten Populationen gibt, was auch durch die scharf abgegrenzten Übergänge zwischen einfach und doppeltinfizierten Populationen belegt wurde. Es wurde beobachtet, dass der mit wCer1&2 assoziierte mitochondriale Haplotyp sich mittels CI in wCer1 Populationen verbreitete, und somit den ursprünglichen, mit wCer1 assoziierten Haplotypen verdrängte. Die sich ausbreitende Wolbachia Infektion trägt somit zu einer Verarmung der mitochondrialen Vielfalt der Wirtsart bei. Eine phylogenetische Untersuchung hat ergeben, dass wCer1 die ältere Infektion in R. cerasi ist und vor etwa 300,000 Jahren aufgetreten ist. wCer1 wurde mit vier verschiedenen, assoziierten Haplotypen entdeckt, wCer2 nur mit einem. wCer2 hat R. cerasi erst nach der letzten Eiszeit, vor weniger als 20,000 Jahren besiedelt. Eine phylogeographische Analyse hat ergeben, dass diese Infektion wahrscheinlich von Italien ausgegangen ist. Wolbachia wird hauptsächlich vertikal vererbt, d.h. von der Mutter auf die Nachkommen. Einige Resultate wiesen darauf hin, dass gelegentlich auch horizontale Transmission von wCer2 zwischen doppelt- und einfachinfizierten Individuen von R. cerasi vorkommen kann. Drosophila simulans (Diptera, Drosophilidae) wurde künstlich mit wCer1&2 aus R. cerasi infiziert. In der neuen Wirtsart segregierten beide Wolbachia Stämme. wCer1 ging verloren und wCer2 konnte in laborgezüchteten Linien erhalten werden. wCer2 verursachte auch in seiner neuen Wirtsart CI, allerdings auf einem geringeren Niveau als in R. cerasi. Wegen der geringen CI, der unvollständigen maternalen Vererbung und der negativen Fitnesseffekte wäre wCer2 nicht fähig, Freilandpopulationen von D. simulans zu besiedeln. Populationen von D. simulans sind bereits mit anderen Wolbachia Stämmen infiziert, wobei einige sehr starke CI induzieren, andere jedoch nicht. wAu ist ein enger Verwandter von wCer2, und verursacht keine CI in D. simulans. Bis heute war nicht bekannt, ob wAu die Fähigkeit verloren hat, CI zu induzieren, oder ob D. simulans befähigt ist, die Expression von CI durch wAu zu unterdrücken. Die Ergebnisse des Infektionsexperiments mit dem verwandten wCer2 Stamm legten die Annahme nahe, dass die Expression von CI vom Wirt kontrolliert wird. Unterschiedliche Niveaus von CI in mehreren, mit wCer2 infizierten D. simulans Linien haben auch angedeutet, dass wCer2 eine polymorphe Infektion in ihrem ursprünglichen Wirt sein könnte. Eine spezialisierte Parasitoidenart von R. cerasi, Opius rhagoleticola (Hymenoptera, Braconidae) wurde als mit wCer2 infiziert gefunden, was somit ein Beleg für einen horizontalen Transfer zwischen beiden Wirtsarten ist.