Wie steuern Symbionten die Temperatur-Präferenz ihres Wirts?

Temperatur und Feuchtigkeit, bestimmen nicht nur das Überleben und die geographische Verbreitung einer Art, sondern haben auch einen wichtigen Einfluss auf deren Parasiten und Symbionten. Zellteilungsraten vieler Mikroorganismen sind beispielsweise stark temperarturabhängig. Dies eröffnet wechselwarmen Wirtsorganismen, welche ihre Körpertemperatur kaum physiologisch beeinflussen können, die Möglichkeit, das Wachstum von Parasiten durch Verhaltensänderungen aktiv zu steuern. Ähnlich dem physiologischen Fieber bei Menschen, können infizierte Wirte bewusst Lebensräume mit erhöhter Umgebungstemperatur aufsuchen, die für Parasiten oder Symbionten schädlich sind. In einer kürzlich publizierten Studie untersuchten wir dieses Phänomen in Fruchtfliegen der Art Drosophila melanogaster, welche mit dem Bakterium Wolbachia infiziert waren. Wolbachia ist ein weitverbreiteter intrazellulärer Symbiont, der die Fortpflanzung seines Wirtes beeinflusst, aber auch die Immunabwehr gegen Viren erhöht. Wolbachia kann daher parasitische als auch mutualistische, also vorteilhafte, Effekte auf den Wirt ausüben. In unseren Experimenten fanden wir, dass das Bakterium die Temperaturpräferenz des Fliegenwirtes signifikant veränderte. Entgegen unseren ursprünglichen Erwartungen, bevorzugten infizierte Fliegen allerdings nicht höhere, sondern niedrigere Umgebungstemperaturen. Die biologische Funktion dieses Verhaltens ist unklar und auch jene Gene, die dieses steuern, sind unbekannt. In meinem Forschungsprojekt werde ich diese Fragen, welche von hohem Interesse für unser generelles Verständnis der Evolution und Ökologie von Wirten und ihren Symbionten sind, bearbeiten. Ich werde dazu Fliegen von natürlichen Populationen aus Portugal und Finnland auf Temperaturpräferenzen unter infizierten und nicht- infizierten Bedingungen untersuchen. Mit Hilfe dieser Analyse kann ich testen ob Verhaltensveränderung welche wir im Labor beobachtet haben auch in Fliegen aus unterschiedlichen klimatischen Regionen eine Rolle spielt. Ausserdem werde ich Fliegen bei unterschiedlichen Temperaturen halten, die den Präferenzen von infizierten und nicht-infizierte Wirten entspricht. Da es unklar ist, ob erniedrigte Temperaturen einen Vorteil gegenüber Wolbachia-infektionen darstellt, werden meine Experimente zeigen, welche Auswirkungen die Entwicklungstemperatur sowohl auf den Wolbachia Titer, als auch die Lebenspanne, Reproduktionsrate und Körpergröße von Drosophila hat. Weiters erlauben mir modernste Sequenzierungs-verfahren den Einfluss von Temperatur und Wolbachia-infektion auf die Expressions-raten aller Drosophila Gene zu testen. Mittels transgener Fliegen, die es ermöglichen einzelne Gene gezielt auszuschalten, werde ich letztendlich untersuchen, ob Gene mit bekannter Funktion in der Temperatur-Wahrnehmung von Wolbachia beeinflusst werden. Die Kombination aller Experimente in meinem Forschungsprogramm wird uns einen wichtigen Einblick in die Biologie und die Genetik von dynamischen Interaktionen zwischen Wirt und Symbiont in natürlichen Populationen liefern. Diese Erkenntnisse sind auch von sozio-ökonomischer Relevanz, da Wolbachia zur Bekämpfung von Insekten-vektoren viraler Krankheiten wie Zika, Dengue oder des West-Nile Virus in Betracht gezogen wird. Wie unsere bisherige Arbeit gezeigt hat, kann die Interaktion zwischen Wolbachia und ihrem Wirt allerdings zu unerwarteten Verhaltensänderungen führen, die potentiell starke Auswirkungen auf die Effizienz solcher Massnahmen haben kann.

Wechselseitige Beziehungen zwischen Wirtsorganismen und ihren mikrobiellen Symbionten werden nicht nur von der genetischen Variation beider Partner bestimmt, sondern auch von Umweltbedingungen, welche die Überlebensfähigkeit des Wirts und des Symbionten asymmetrisch beeinflussen können. Das vom FWF finanzierte Projekt P 32275-B mit dem Titel "Wie steuern Symbionten die Temperatur-Präferenz ihres Wirts?" ermöglichte es uns ökologische und evolutionäre Mechanismen mit Einfluss auf die Interaktion zwischen der Taufliege Drosophila melanogaster und dem bakteriellen Endosymbionten Wolbachia pipientis, zwei der am besten erforschten Modellorganismen, zu studieren. Um zu prüfen, ob der zuvor festgestellte Einfluss von Wolbachia auf die Temperaturpräferenz ihres Wirtes nicht nur in Laborfliegenstämmen, sondern auch in Fliegen, welche erst kürzlich in freier Wildbahn gefangen wurden, gefunden werden kann, konzentrierten wir uns auf Taufliegen aus Portugal und Finnland, die natürlicherweise mit verschiedenen Wolbachia-Varianten infiziert waren. Mit Hilfe neu entwickelter Geräte führten wir Laborexperimente zur Temperaturpräferenz durch, und stellten fest, dass Wolbachia auch bei in freier Wildbahn gesammelten Fliegenstämmen einen Einfluss auf die präferierte Temperatur hat und dass dieser Effekt stark von der Wolbachia-Variante abhängt, mit der die Fliegen infiziert waren. Zu einer signifikant reduzierten Temperaturpräferenz des Wirts führte nur wMelCS Wolbachia-Variante, jedoch nicht die häufigere wMel Variante. Wir konnten erstmals zeigen, dass solche Effekte möglicherweise auch vom Bakterientiter beeinflusst werden. Dies könnte darauf hindeuten, dass Veränderungen in der Temperaturpräferenz zu einem Vermeidungsverhalten führen, um hohe Bakterientiter bei wärmeren Temperaturen, die potentiell schädlich sind, zu regulieren. Wir stellten weiters fest, dass das Erbgut des Wirts und die experimentellen Bedingungen ebenfalls wesentlich zu Verhaltensunterschieden beitragen. Nachfolgende phänotypische Tests, welche auf diesen Erkenntnissen aufbauten, bestätigten einen starken Temperatureinfluss auf die Interaktion von Drosophila und Wolbachia. Insbesondere wMelCS hatte bei erhöhten Temperaturen einen starken Einfluss auf die Fruchtbarkeit, die Eireifung und die Langlebigkeit, jedoch nicht auf die juvenile Entwicklung. Diese Daten untermauern, dass die wMelCS Variante, welche durch einen erhöhten Titer in allen Geweben bei wärmeren Temperaturen charakterisiert ist, zu sogenannten "trade-offs" führen kann, welche bewirken, dass Bakterien-infektionen abhängig von Umweltbedingungen entweder nützlich oder schädlich für den Wirt sein können. Dieser Effekt könnte dazu beigetragen haben, dass wMelCS erst kürzlich von der heute dominanten wMel Variante in natürlichen Drosophila-Populationen ersetzt wurde. Mit Hilfe kürzlich veröffentlichter "Museomics"-Daten von 100-200 Jahre alter Taufliegen aus Nordeuropa konnten wir einen phylogenomischen Vergleich mit zuvor verfügbaren und neu generierten genomischen Daten durchführen, der die Hypothese eines kürzlichen Austausches der Wolbachia Varianten in europäischen Taufliegen-Populationen bestätigte. Zusammenfassend ermöglichte dieses FWF-Projekt zu bestätigen, dass die Temperatur einen starken Einfluss auf Wirt-Symbionten-Interaktionen im Drosophila-Wolbachia-System hat. Insbesondere scheint der Bakterientiter - stark von der Temperatur beeinflusst - eine wichtige Rolle für die Wirtsfitness zu spielen. Dieser Effekt könnte einen entscheidenden Einfluss auf den Austausch der Wolbachia-Varianten in natürlichen Populationen gehabt haben.